0 引言
微型無人偵察機的首要任務是實現圖像信息的實時獲取與無線傳輸。國外對此問題早有研究，但由于技術的封鎖，目前可供借鑒的資料較少。例如美國研制的“黑寡婦”圖像無線傳輸系統，采用調頻體制，視頻發射器重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線傳輸系統，其中攜帶的偵察微型攝像機重4 g，每秒可拍攝30幀清晰的地面畫面。搭載的PRISM無線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。而研究較成熟的無人機載圖像實時傳輸系統，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，開發適用于微型飛行器的微小攝像與無線傳輸系統尤為重要。本文所研究的主要內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字傳輸方式，該系統具有體積小、功耗低、實時性好及傳輸可靠等特點。
1 系統原理
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內存以及無線網卡等組成。
由于受微型無人機的載荷所限，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據量。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。為保證系統最優功能狀態，選用MPEG-4專用編碼芯片對采集后得到的數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。在完成數字視頻偵察系統的開發后，為系統加入了基于開放的802．11協議的無線加密傳輸模塊，為系統的安全工作帶來保證，避免了無線視頻系統的安全漏洞。
2 硬件設計
微型無人機視頻處理與傳輸系統主要包括視頻采集及處理模塊、無線數據傳輸模塊2個子系統，是整個微型無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在控制上也更為簡化，只需設定少數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，它是針對網絡視頻傳輸所設計的MPEG-4專屬芯片。MPG-440A支持高階影像數字監控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動態調整IP幀比率與動態調整質量，是特殊場合監控用的最佳影像處理器，可產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，使傳輸更穩定距離更廣；支持Windows／Linux／WinCE等操作系統；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，由于其先進的開發技術、優越的可管理性和可維護性及簡單方便的應用模式，正成為視頻監控系統最流行的應用方式。它能將地面站的視頻偵察系統控制、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，不用另行安裝軟件，使視頻偵察系統的操作、配制簡單化，實現了跨平臺性，客戶端在普通PC機、PDA等操作系統上均能運行，非常適合戰術無人機的野外作業。下面分別介紹本系統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，采集視頻數據，通過網絡傳輸數據。
(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視頻子系統提供的API函數編寫數據采集代碼，接收MPG-440A傳送的MPEG-4格式二進制視頻數據。將接收到的數據整理后，通過Socket通訊以組播方式通過網絡發送到瀏覽器客戶端。
(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控件嵌入到網頁中發布。地面站通過瀏覽器訪問Web服務器時，ActiveX控件就會經過網頁傳輸到客戶端并自動下載安裝。一旦視頻偵察系統服務器端部分和ActiveX控件建立通信，就可通過Socket進行視頻數據的組播傳輸，實現遠程實時監控。
4 飛行實驗
該系統在某戰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。發射模塊將攝像頭拍攝到的數字視頻信號實時發送回地面，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，機載攝像與無線傳輸系統能較好地完成MAV攝像和傳輸任務，該系統尺寸小、重量輕、功耗低、工作穩定，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，在低速飛行狀態時，氣流擾動和機體本身的振動對攝像和傳輸的質量有影響，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字視頻傳輸系統，包括硬件設計和Linux下的軟件設計。該系統在MCU4010嵌入式微處理器的協調和調度下統一工作，采甩專用MPEG-4音視頻編碼芯片MPG-440A將采集生成的數字視頻予以編碼壓縮處理，穩定可靠，成本低，采用B／S結構設計，以組播方式傳輸，節省系統資源，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的視頻圖像。