微小型无人机无线数字视频传输系统的设计与实现

0 引言
    微型无人侦察机的首要任务是实现图像信息的实时获取与无线传输。国外对此问题早有研究，但由于技术的封锁，目前可供借鉴的资料较少。例如美国研制的“黑寡妇”图像无线传输系统，采用调频体制，视频发射器重1．4 g(占整机的12％)，有效传输距离1．5 km。美国桑德斯公司的MicroStar微型飞行器也配备有图像无线传输系统，其中携带的侦察微型摄像机重4 g，每秒可拍摄30帧清晰的地面画面。搭载的PRISM无线电通信信息传送系统，重6g，有效传输范围达到了5 km。国内在该方面的研究起步较晚，技术相对落后，主要采用模拟传输方式，频率使用率低，系统易受干扰。而研究较成熟的无人机载图像实时传输系统，其图像质量指标、信道编码效率等均不高，且抗多径干扰差。同时，由于微小型飞行器的载重及能量供给非常有限，对机载部分的功耗、重量、安装尺寸等都提出了更为严格的要求。因此，开发适用于微型飞行器的微小摄像与无线传输系统尤为重要。本文所研究的主要内容以某微型无人侦察机的需求为背景，提出了一种视频图像的无线数字传输方式，该系统具有体积小、功耗低、实时性好及传输可靠等特点。

1 系统原理
    微型无人机要求提供实时、高质量的侦察图像。本文所采用的摄像与无线传输系统组成框图如图1所示，主要由图像传感器、视频压缩编码芯片、微处理芯片、FLASH芯片和SDRAM内存以及无线网卡等组成。

    由于受微型无人机的载荷所限，该系统首先选用重量较轻的高分辨率模拟摄像机采集视频信号，然后利用图像编码器将采集到的模拟图像，转化生成分辨率较高的数字图像。编码后的数字图像数据量巨大，且无线通信信道的带宽有限，难以保证视频图像的实时传输，因此需要对数字视频图像进行编码压缩，在保证一定画质的前提下尽可能减少数据量。压缩工作通常可以选用软件或专用硬件来完成。然而专用编码压缩软件代码规模较大，设备要求高，且机载微处理器功能有限，使其应用受到限制。为保证系统最优功能状态，选用MPEG-4专用编码芯片对采集后得到的数字图像进行硬件编码压缩，生成MPEG-4码流，实时性好，可靠性高。模块工作和码流流向由ARM微处理器调度管理，同时，微处理器通过RS 485和摄像模块相连，传输摄像机镜头的控制信号，如变倍、变焦等。机载云台也通过RS485获得用户的远程控制信号，并通过水平和垂直方向的位置改变来响应用户的不同偾察需求。在完成数字视频侦察系统的开发后，为系统加入了基于开放的802．11协议的无线加密传输模块，为系统的安全工作带来保证，避免了无线视频系统的安全漏洞。

2 硬件设计
    微型无人机视频处理与传输系统主要包括视频采集及处理模块、无线数据传输模块2个子系统，是整个微型无人机视频系统中的核心部分。
    本文视频编码器采用的编码器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次发表的低价格低消耗功率但提供高质量影像输出的影像编码器。在它的输入前端有阶梯状滤波器，不用为系统添加额外的滤波器。同时，ADV7180还提供了DNR／CTI的影像强化输出调整，ADLLT更独步全球提供给系统在弱信号的处理上强有力的支持，使传输的图像更加平稳。拥有智能型影像处理器的ADV7180在控制上也更为简化，只需设定少数的暂存器就可输出高质量影像，无需为影像编码器设定繁琐复杂的程序。
    视频压缩芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如图2所示，它是针对网络视频传输所设计的MPEG-4专属芯片。MPG-440A支持高阶影像数字监控功能，包含D1分辨率、防伪水印、动态调整IP帧比率与动态调整质量，是特殊场合监控用的最佳影像处理器，可产生最小比特率并符合长时间储存要求。

    主控芯片选取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微处理器，见图3。它使用．ARM 922 T核，工作频率高达200 MHz，内部带有存储器管理单元(MMU)，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性，是视频采集和处理模块的核心，可达到D1分辨率实时编码压缩的效能。
    无线传输模块采用Ralink公司提供的RT2561芯片方案的无线网卡，符合IEEE 802．11b／g／n标准，传输速率高达128 Mb／s(自适应)。支持标准32位Mini-PCI接口；具有MIMO天线技术，使传输更稳定距离更广；支持Windows／Linux／WinCE等操作系统；工作频率范围为2．412～2．484 GHz；传输功率为18 dBm(典型值)。MCU4010和MCP440A如图4所示，RT2561如图5所示。

    地面站采用便携式设计，主要用来接收无人机实时发送回的视频信号，并将其显示出来，包括接收天线、笔记本计算机或PDA。该系统采用的接收天线为TDJ-2400BKC-Y室外板状定向天线，其具有增益高、前后辐射比大、三维尺寸小、结构紧凑等优点，是一种高质量的室外通信天线，非常符合无人机在野外条件下的战术需求。其频率范围为2 400～2 483 MHz，增益为10 dBi，水平面波瓣宽度为110°。

3 软件设计
    该设计采用基于Web服务器的B／S(Browser／Server)服务机制，B／S服务机制是随着Internet技术的兴起，对C／S(Client／Server)服务机制的改进，由于其先进的开发技术、优越的可管理性和可维护性及简单方便的应用模式，正成为视频监控系统最流行的应用方式。它能将地面站的视频侦察系统控制、侦察视频浏览、开关量的控制、摄像云台控制等在IE浏览器中予以实现，不用另行安装软件，使视频侦察系统的操作、配制简单化，实现了跨平台性，客户端在普通PC机、PDA等操作系统上均能运行，非常适合战术无人机的野外作业。下面分别介绍本系统服务器端和客户端的主要功能：
    (1)服务器端主要功能：响应Web连接服务，采集视频数据，通过网络传输数据。
    (2)机载微处理器作为服务器，响应客户端的连接请求，并提供ActiveX控件的下载，利用Linux视频子系统提供的API函数编写数据采集代码，接收MPG-440A传送的MPEG-4格式二进制视频数据。将接收到的数据整理后，通过Socket通讯以组播方式通过网络发送到浏览器客户端。
    (3)客户端部分的主要功能：连接机载Web服务器并下载ActiveX控件。
    (4)为了减轻视频服务器客户端操作的负担，提高软件升级和维护的方便性，设计中将地面站的视频图像接收和视频图像显示部分封装在ActiveX控件中，在运行Linux的ARM串台上移植嵌入式Web服务器Boa，响应地面站的连接请求，并将ActiveX控件嵌入到网页中发布。地面站通过浏览器访问Web服务器时，ActiveX控件就会经过网页传输到客户端并自动下载安装。一旦视频侦察系统服务器端部分和ActiveX控件建立通信，就可通过Socket进行视频数据的组播传输，实现远程实时监控。

4 飞行实验
    该系统在某战术无人机上进行了搭载飞行试验，飞行高度约为200 m，摄像镜头的视角45°，平均飞行速度约为15 m／s。发射模块将摄像头拍摄到的数字视频信号实时发送回地面，通过浏览器显示的视频截图如图6所示。机载飞行试验表明，在3 km范围内，机载摄像与无线传输系统能较好地完成MAV摄像和传输任务，该系统尺寸小、重量轻、功耗低、工作稳定，满足MAV有效载荷的基本要求。但由于无人机本身的重量轻，惯性很小，在低速飞行状态时，气流扰动和机体本身的振动对摄像和传输的质量有影响，还需适当采取减振措施，减少图像在传输过程中产生的抖动。

5 结语
    本文设计的基于ARM的嵌入式微小型无人机无线数字视频传输系统，包括硬件设计和Linux下的软件设计。该系统在MCU4010嵌入式微处理器的协调和调度下统一工作，采甩专用MPEG-4音视频编码芯片MPG-440A将采集生成的数字视频予以编码压缩处理，稳定可靠，成本低，采用B／S结构设计，以组播方式传输，节省系统资源，易于维护，升级方便，使用简单。通过机载实验证明该系统基本满足微小型无人机的要求，能够做到实时传输回无人机侦察范围内的视频图像。