微型無人偵察機的首要任務是實現(xiàn)圖像信息的實時獲取與無線傳輸。研究較成熟的無人機載圖像實時傳輸系統(tǒng)，其圖像質量指標、信道編碼效率等均不高,，且抗多徑干擾差。同時,，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，開發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無線傳輸系統(tǒng)尤為重要,。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無人偵察機的需求為背景,，提出了一種視頻圖像的無線數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小,、功耗低、實時性好及傳輸可靠等特點,。

        本文設計的基于ARM的嵌入式微小型無人機無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng),，包括硬件設計和Linux下的軟件設計。該系統(tǒng)在MCU4010嵌入式微處理器的協(xié)調和調度下統(tǒng)一工作,，采甩專用MPEG-4音視頻編碼芯片MPG-440A將采集生成的數(shù)字視頻予以編碼壓縮處理,。
 

　　1 系統(tǒng)原理

　　微型無人機要求提供實時、高質量的偵察圖像,。本文所采用的攝像與無線傳輸系統(tǒng)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(nèi)存以及無線網(wǎng)卡等組成。

　　由于受微型無人機的載荷所限,，該系統(tǒng)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(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大,，且無線通信信道的帶寬有限,，難以保證視頻圖像的實時傳輸，因此需要對數(shù)字視頻圖像進行編碼壓縮,，在保證一定畫質的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量,。壓縮工作通常可以選用軟件或專用硬件來完成,。然而專用編碼壓縮軟件代碼規(guī)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(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專用編碼芯片對采集后得到的數(shù)字圖像進行硬件編碼壓縮,，生成MPEG-4碼流,，實時性好，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，微處理器通過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RS485獲得用戶的遠程控制信號,，并通過水平和垂直方向的位置改變來響應用戶的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開發(fā)后,，為系統(tǒng)加入了基于開放的802.11協(xié)議的無線加密傳輸模塊,，為系統(tǒng)的安全工作帶來保證，避免了無線視頻系統(tǒng)的安全漏洞,。

　　2 硬件設計

　　微型無人機視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊,、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊2個子系統(tǒng)，是整個微型無人機視頻系統(tǒng)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)表的低價格低消耗功率但提供高質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(tǒng)添加額外的濾波器,。同時，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(tǒng)在弱信號的處理上強有力的支持,，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn),。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡化，只需設定少數(shù)的暫存器就可輸出高質量影像,，無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)絡視頻傳輸所設計的MPEG-4專屬芯片,。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率,、防偽水印,、動態(tài)調整IP幀比率與動態(tài)調整質量，是特殊場合監(jiān)控用的最佳影像處理器,，可產(chǎn)生最小比特率并符合長時間儲存要求,。

　　主控芯片選取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微處理器，見圖3,。它使用.ARM 922 T核,，工作頻率高達200 MHz，內(nèi)部帶有存儲器管理單元(MMU),，具有高性能,、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性,，是視頻采集和處理模塊的核心,，可達到D1分辨率實時編碼壓縮的效能。

無線傳輸模塊采用Ralink公司提供的RT2561芯片方案的無線網(wǎng)卡,，符合IEEE 802.11b/g/n標準,，傳輸速率高達128 Mb/s(自適應)。支持標準32位Mini-PCI接口;具有MIMO天線技術,，使傳輸更穩(wěn)定距離更廣;支持Windows/Linux/WinCE等操作系統(tǒng);工作頻率范圍為2.412～2.484 GHz;傳輸功率為18 dBm(典型值),。MCU4010和MCP440A如圖4所示，RT2561如圖5所示,。

　　地面站采用便攜式設計，主要用來接收無人機實時發(fā)送回的視頻信號,，并將其顯示出來,，包括接收天線、筆記本計算機或PDA,。該系統(tǒng)采用的接收天線為TDJ-2400BKC-Y室外板狀定向天線,，其具有增益高、前后輻射比大,、三維尺寸小,、結構緊湊等優(yōu)點，是一種高質量的室外通信天線，非常符合無人機在野外條件下的戰(zhàn)術需求,。其頻率范圍為2 400～2 483 MHz,，增益為10 dBi，水平面波瓣寬度為110°,。

　　3 軟件設計

　　該設計采用基于Web服務器的B/S(Browser/Server)服務機制,，B/S服務機制是隨著Internet技術的興起，對C/S(Client/Server)服務機制的改進,，由于其先進的開發(fā)技術,、優(yōu)越的可管理性和可維護性及簡單方便的應用模式，正成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)最流行的應用方式,。它能將地面站的視頻偵察系統(tǒng)控制,、偵察視頻瀏覽、開關量的控制,、攝像云臺控制等在IE瀏覽器中予以實現(xiàn),，不用另行安裝軟件，使視頻偵察系統(tǒng)的操作,、配制簡單化,，實現(xiàn)了跨平臺性，客戶端在普通PC機,、PDA等操作系統(tǒng)上均能運行,，非常適合戰(zhàn)術無人機的野外作業(yè)。下面分別介紹本系統(tǒng)服務器端和客戶端的主要功能：

　　(1)服務器端主要功能：響應Web連接服務,，采集視頻數(shù)據(jù),，通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

　　(2)機載微處理器作為服務器,，響應客戶端的連接請求,，并提供ActiveX控件的下載，利用Linux視頻子系統(tǒng)提供的API函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集代碼,，接收MPG-440A傳送的MPEG-4格式二進制視頻數(shù)據(jù),。將接收到的數(shù)據(jù)整理后，通過Socket通訊以組播方式通過網(wǎng)絡發(fā)送到瀏覽器客戶端,。

　　(3)客戶端部分的主要功能：連接機載Web服務器并下載ActiveX控件,。

　　(4)為了減輕視頻服務器客戶端操作的負擔，提高軟件升級和維護的方便性,，設計中將地面站的視頻圖像接收和視頻圖像顯示部分封裝在ActiveX控件中,，在運行Linux的ARM串臺上移植嵌入式Web服務器Boa，響應地面站的連接請求,，并將ActiveX控件嵌入到網(wǎng)頁中發(fā)布,。地面站通過瀏覽器訪問Web服務器時,，ActiveX控件就會經(jīng)過網(wǎng)頁傳輸?shù)娇蛻舳瞬⒆詣酉螺d安裝。一旦視頻偵察系統(tǒng)服務器端部分和ActiveX控件建立通信,，就可通過Socket進行視頻數(shù)據(jù)的組播傳輸,，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

　　該系統(tǒng)在某戰(zhàn)術無人機上進行了搭載飛行試驗,，飛行高度約為200 m,，攝像鏡頭的視角45°，平均飛行速度約為15 m/s,。發(fā)射模塊將攝像頭拍攝到的數(shù)字視頻信號實時發(fā)送回地面,，通過瀏覽器顯示的視頻截圖如圖6所示。機載飛行試驗表明,，在3 km范圍內(nèi),，機載攝像與無線傳輸系統(tǒng)能較好地完成MAV攝像和傳輸任務，該系統(tǒng)尺寸小,、重量輕,、功耗低、工作穩(wěn)定,，滿足MAV有效載荷的基本要求,。但由于無人機本身的重量輕，慣性很小,，在低速飛行狀態(tài)時,，氣流擾動和機體本身的振動對攝像和傳輸?shù)馁|量有影響，還需適當采取減振措施,，減少圖像在傳輸過程中產(chǎn)生的抖動,。

　　5 結語

　　本文設計的基于ARM的嵌入式微小型無人機無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低,，采用B/S結構設計,，以組播方式傳輸，節(jié)省系統(tǒng)資源,，易于維護,，升級方便，使用簡單,。通過機載實驗證明該系統(tǒng)基本滿足微小型無人機的要求,，能夠做到實時傳輸回無人機偵察范圍內(nèi)的視頻圖像。