微小型無(wú)人機無(wú)線(xiàn)數字視頻傳輸系統的設計與實(shí)現

0 引言
微型無(wú)人偵察機的首要任務(wù)是實(shí)現圖像信息的實(shí)時(shí)獲取與無(wú)線(xiàn)傳輸。國外對此問(wèn)題早有研究，但由于技術(shù)的封鎖，目前可供借鑒的資料較少。例如美國研制的“黑寡婦”圖像無(wú)線(xiàn)傳輸系統，采用調頻體制，視頻發(fā)射器重1．4 g(占整機的12％)，有效傳輸距離1．5 km。美國桑德斯公司的MicroStar微型飛行器也配備有圖像無(wú)線(xiàn)傳輸系統，其中攜帶的偵察微型攝像機重4 g，每秒可拍攝30幀清晰的地面畫(huà)面。搭載的PRISM無(wú)線(xiàn)電通信信息傳送系統，重6g，有效傳輸范圍達到了5 km。國內在該方面的研究起步較晚，技術(shù)相對落后，主要采用模擬傳輸方式，頻率使用率低，系統易受干擾。而研究較成熟的無(wú)人機載圖像實(shí)時(shí)傳輸系統，其圖像質(zhì)量指標、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時(shí)，由于微小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對機載部分的功耗、重量、安裝尺寸等都提出了更為嚴格的要求。因此，開(kāi)發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無(wú)線(xiàn)傳輸系統尤為重要。本文所研究的主要內容以某微型無(wú)人偵察機的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無(wú)線(xiàn)數字傳輸方式，該系統具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好及傳輸可靠等特點(diǎn)。

1 系統原理
微型無(wú)人機要求提供實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無(wú)線(xiàn)傳輸系統組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內存以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡等組成。

由于受微型無(wú)人機的載荷所限，該系統首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機采集視頻信號，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉化生成分辨率較高的數字圖像。編碼后的數字圖像數據量巨大，且無(wú)線(xiàn)通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，因此需要對數字視頻圖像進(jìn)行編碼壓縮，在保證一定畫(huà)質(zhì)的前提下盡可能減少數據量。壓縮工作通?？梢赃x用軟件或專(zhuān)用硬件來(lái)完成。然而專(zhuān)用編碼壓縮軟件代碼規模較大，設備要求高，且機載微處理器功能有限，使其應用受到限制。為保證系統最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專(zhuān)用編碼芯片對采集后得到的數字圖像進(jìn)行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調度管理，同時(shí)，微處理器通過(guò)RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機鏡頭的控制信號，如變倍、變焦等。機載云臺也通過(guò)RS485獲得用戶(hù)的遠程控制信號，并通過(guò)水平和垂直方向的位置改變來(lái)響應用戶(hù)的不同僨察需求。在完成數字視頻偵察系統的開(kāi)發(fā)后，為系統加入了基于開(kāi)放的802．11協(xié)議的無(wú)線(xiàn)加密傳輸模塊，為系統的安全工作帶來(lái)保證，避免了無(wú)線(xiàn)視頻系統的安全漏洞。

2 硬件設計
微型無(wú)人機視頻處理與傳輸系統主要包括視頻采集及處理模塊、無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊2個(gè)子系統，是整個(gè)微型無(wú)人機視頻系統中的核心部分。
本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價(jià)格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統添加額外的濾波器。同時(shí)，ADV7180還提供了DNR／CTI的影像強化輸出調整，ADLLT更獨步全球提供給系統在弱信號的處理上強有力的支持，使傳輸的圖像更加平穩。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡(jiǎn)化，只需設定少數的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無(wú)需為影像編碼器設定繁瑣復雜的程序。
視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸所設計的MPEG-4專(zhuān)屬芯片。MPG-440A支持高階影像數字監控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動(dòng)態(tài)調整IP幀比率與動(dòng)態(tài)調整質(zhì)量，是特殊場(chǎng)合監控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長(cháng)時(shí)間儲存要求。