警用旋翼机数据处理及传输系统设计

摘要 警用旋翼机系统以小型无人旋翼机为工作平台，主要应用于执勤和处突现场的侦察和监视。其中数据处理及传输系统包括旋翼机平台控制子系统、视频信息采集处理和传输子系统。给出了旋翼机平台控制系统结构框图和视频采集、处理模块的数据接口图。视频采集和处理模块中，分别选用SAA7111A为视频采集芯片和Hi3510为视频处理、压缩芯片，通过高带宽的WIMAX模块进行无线传输。满足图像处理的高压缩比和低失真要求。
关键词 旋翼机；视频处理；无线数据传输

    旋翼机是一种介于直升机和固定翼飞机之间的飞行器。早在上世纪二三十年代就开始研制，它产生时间比直升机早，由于军方不重视、驾驶员操作不当、经常引起飞行事故等原因，使得旋翼机的研制一度陷入低谷。近年来，由于其自身一系列优点，旋翼机又成为国内外的研制热点。
    设计的数据处理及传输系统以旋翼机为飞行平台，根据任务需求，搭载了CCD高分辨率摄像机，从控制逻辑上分为旋翼机平台控制系统和视频数据采集处理系统两部分，设计上是统一的整体。

1 旋翼机平台简介
    旋翼机平台由最基本的机身、动力系统、尾面和起落架构成，其中动力系统由发动机或电源、旋翼系统和螺旋桨组成。旋翼机与直升机和固定翼飞机的最大区别就在于动力系统的不同。
    旋翼机的前行动力是由螺旋桨产生的推／拉或其它类似于这种推／拉力的供能方式提供，升力是由前方气流吹动旋翼自转提供。同时，由于旋翼采用自转的方式，不需要像直升机一样用尾桨抵消旋翼产生的扭力，结构比直升机简单很多，其气动效率也比直升机高，具有结构简单、经济性高；操作、维护方便；起降距离短，不需要专门机场；可靠性高等特点曾一度被称为“最安全的飞行器”。

2 系统总体设计
2．1 旋翼机平台控制子系统设计
    旋翼机平台控制子系统的设计是整个系统设计基础，优良的任务平台才能确保各种任务载荷正常工作。旋翼机平台控制部分按完成功能的不同可以划分为数传电台、获取平台状态信息传感器部分、平台控制计算机、执行器驱动系统以及电源模块。控制子系统的具体结构如图1所示。

    获取平台状态信息的传感器有角速度陀螺仪、气压高度计、加速度计、数字罗盘、GPS导航模块。其中，角速度陀螺仪、气压高度计和加速度计采集模拟信号，需经过模／数转换后传送至平台控制单片机，数字罗盘和GPS导航模块产生的数字信号直接传输至单片机。
    平台控制单片机是控制子系统的核心计算部件，它在每个控制周期内利用PID控制算法，实时处理采集的传感器数据，将得到的旋翼机平台姿态和位置信息，通过数传电台传输至地面指挥、遥控中心。同时，根据实际计算出的控制量，转化为相应PWM信号驱动舵机工作，保持平台稳定飞行。
2．2 视频采集与处理电路设计
    视频采集与处理模块关键芯片的选取主要考虑3个因素：
    (1)旋翼机上CCD摄像机在高空对地面物体进行拍摄，要在远距离采集高质量视频信号，摄像机必须具备良好聚焦和变倍性能。
    (2)结合图像传输失真要求和无线传输带宽实际情况，要选择合适的视频编码压缩算法和压缩方式。
    (3)为方便搭建逻辑控制电路，选取系列化具有通用无缝接口的采集芯片和编码压缩芯片。
    为满足上述要求，选用sAA7111A为视频采集芯片，Hi3510为视频压缩和控制芯片。
    SAA7111A采用总线控制，其中SCL为串行时钟，SDA为串行数据信号。SAA7111A具有4路模拟输入端AI11、AI12、AI21和AI22，从某输入端输入的视频图像信号经模拟处理后，一路经过A／D转换输出数字亮度和色度信号，另一路通过缓冲器输出到AOUT端用于监视。在进行亮度信号和色度信号处理后，亮度信号的其中一路将送到色度信号处理器进行处理，产生的亮度信号(Y)和色差信号(UV)经格式化后从16位的视频输出端口(VPO)输出；另一路亮度信号则进入同步分离器，并且通过数字锁相环(PLL)产生相应的行同步信号(HS)和场同步信号(VS)。同时，PLL将驱动时钟发生器，以产生HS锁定的时钟信号LLC和LL2。其内部功能如图2所示。

    Hi3510采用高压缩比、低失真度的H．264编码方式和BP H 264算法，具有ARM926KJ-S、DSP双处理器内核以及硬件加速引擎的多核高集成度的SoC构架，视频处理功能强大。具有独立的16 kB指令Cache和16 kB数据Cache，内嵌16 kB指令紧耦合存储器和8 kB数据紧耦合存储器以及DSP增强结构，内嵌32×16 MAC和Java硬件加速器，内置MMU，支持多种开放式操作系统，最高工作主频可达240 MI·s-1，其功能结构如图3所示。

    在使用SAA7111A前必须先对Hi3510中DSP的I2C控制模块进行初始化，通过SAA7111A上的I2C总线接口引脚(SDA)和引脚(SCL)来设定SAA711 1A寄存器的工作参数。I2C模块初始化结构如下：

    SAA7111A可采用外部和内部两种时钟。采用外部时钟输入时，需要在XTAL和XTALI引脚间接入频率为24．576 MHz的石英晶体振荡器。采用内部时钟时，则在XTALI引脚接入24．576 MHz的时钟信号。
    设置SAA7111A芯片工作时钟为24．576 MHz，数据输出格式为4：2：2，分辨率为720×576，帧频为25 f·s-1。视频采集芯片SAA7111A通电后，并不是立即采集模拟视频信号进行A／D转换，它必须由Hi3510通过I2C总线对其内部寄存器进行初始化设置后，才能正常工作。视频采集芯片SAA7111A与Hi3510的接口连接框图如图4所示。

2．3 视频采集与处理模块设计
    为满足全方位多角度信息采集需要，系统通过安装直流型云台控制摄像机工作，该类云台大都采用直流步进电机，具有转速高和可变速的优点，适合需要快速捕捉目标的场合。视频采集与处理模块工作时，首先通过Hi3510芯片控制云台旋转到相应区域，再由高精度CCD模拟摄像机将采集的模拟信号传输至采集芯片SAA7111A，由SAA7111A生成数字视频，通过Hi3510视频压缩处理芯片转化成为H．264格式的压缩视频码流；其中一路视频流被传输至机载存储模块，另一路传输至以太网通信模块(RTL8201CP)，通过WiMAX终端的无线射频模块发送出去。视频采集与处理子系统结构如图5所示。

3 结束语
    设计的控制子系统传输通道较稳定，在PPM遥控下旋翼机平台基本能正常工作；SAA7111A视频采集芯片能快速、实时地采集地面图像信息，Hi3510处理芯片采用H．264编码方式，满足图像处理的高压缩比和低失真要求。