警用旋翼機數據處理及傳輸系統設計

蘇克朵，張伯虎，丁倩倩

(1.武警工程學院研究生管理大隊，陜西西安 710086;2.武警工程學院通信工程系，陜西西安 710086)

旋翼機是一種介于直升機和固定翼飛機之間的飛行器。早在上世紀二三十年代就開始研制，它產生時間比直升機早，由于軍方不重視、駕駛員操作不當[1]、經常引起飛行事故等原因，使得旋翼機的研制一度陷入低谷。近年來，由于其自身一系列優點，旋翼機又成為國內外的研制熱點。

設計的數據處理及傳輸系統以旋翼機為飛行平臺，根據任務需求，搭載了CCD高分辨率攝像機，從控制邏輯上分為旋翼機平臺控制系統和視頻數據采集處理系統兩部分，設計上是統一的整體。

1 旋翼機平臺簡介

旋翼機平臺由最基本的機身、動力系統、尾面和起落架構成，其中動力系統由發動機或電源、旋翼系統和螺旋槳組成。旋翼機與直升機和固定翼飛機的最大區別就在于動力系統的不同。

旋翼機的前行動力是由螺旋槳產生的推/拉或其它類似于這種推/拉力的供能方式提供，升力是由前方氣流吹動旋翼自轉提供。同時，由于旋翼采用自轉的方式，不需要像直升機一樣用尾槳抵消旋翼產生的扭力，結構比直升機簡單很多，其氣動效率也比直升機高，具有結構簡單、經濟性高;操作、維護方便;起降距離短，不需要專門機場;可靠性高等特點曾一度被稱為“最安全的飛行器”[2]。

2 系統總體設計

2.1 旋翼機平臺控制子系統設計

旋翼機平臺控制子系統的設計是整個系統設計基礎，優良的任務平臺才能確保各種任務載荷正常工作。旋翼機平臺控制部分按完成功能的不同可以劃分為數傳電臺、獲取平臺狀態信息傳感器部分、平臺控制計算機、執行器驅動系統以及電源模塊?？刂谱酉到y的具體結構如圖1所示。

獲取平臺狀態信息的傳感器有角速度陀螺儀、氣壓高度計、加速度計、數字羅盤、GPS導航模塊。其中，角速度陀螺儀、氣壓高度計和加速度計采集模擬信號，需經過模/數轉換后傳送至平臺控制單片機，數字羅盤和GPS導航模塊產生的數字信號直接傳輸至單片機。

圖1 旋翼機平臺控制子系統結構

平臺控制單片機是控制子系統的核心計算部件，它在每個控制周期內利用PID控制算法，實時處理采集的傳感器數據，將得到的旋翼機平臺姿態和位置信息，通過數傳電臺傳輸至地面指揮、遙控中心。同時，根據實際計算出的控制量，轉化為相應PWM信號驅動舵機工作，保持平臺穩定飛行。

2.2 視頻采集與處理電路設計

視頻采集與處理模塊關鍵芯片的選取主要考慮3個因素:

(1)旋翼機上CCD攝像機在高空對地面物體進行拍攝，要在遠距離采集高質量視頻信號，攝像機必須具備良好聚焦和變倍性能。

(2)結合圖像傳輸失真要求和無線傳輸帶寬實際情況，要選擇合適的視頻編碼壓縮算法和壓縮方式。

(3)為方便搭建邏輯控制電路，選取系列化具有通用無縫接口的采集芯片和編碼壓縮芯片。

為滿足上述要求，選用SAA7111A為視頻采集芯片，Hi3510為視頻壓縮和控制芯片。

SAA7111A采用總線控制，其中SCL為串行時鐘，SDA為串行數據信號。SAA7111A具有4路模擬輸入端AI11、AI12、AI21和AI22，從某輸入端輸入的視頻圖像信號經模擬處理后，一路經過A/D轉換輸出數字亮度和色度信號，另一路通過緩沖器輸出到AOUT端用于監視。在進行亮度信號和色度信號處理后，亮度信號的其中一路將送到色度信號處理器進行處理，產生的亮度信號(Y)和色差信號(UV)經格式化后從16位的視頻輸出端口(VPO)輸出;另一路亮度信號則進入同步分離器，并且通過數字鎖相環(PLL)產生相應的行同步信號(HS)和場同步信號(VS)。同時，PLL將驅動時鐘發生器，以產生HS鎖定的時鐘信號LLC和LLC2。其內部功能[3]如圖2所示。

圖2 SAA7111A功能框圖

Hi3510采用高壓縮比、低失真度的H.264編碼方式和BP H.264算法，具有ARM926EJ-S、DSP雙處理器內核以及硬件加速引擎的多核高集成度的SoC構架，視頻處理功能強大。具有獨立的16 kB指令Cache和16 kB數據Cache，內嵌16 kB指令緊耦合存儲器和8 kB數據緊耦合存儲器以及DSP增強結構，內嵌32×16 MAC和Java硬件加速器，內置MMU，支持多種開放式操作系統，最高工作主頻可達240 MI·s-1[4]，其功能結構如圖3所示。

圖3 Hi3510芯片功能框圖

在使用SAA7111A前必須先對Hi3510中DSP的I2C控制模塊進行初始化[5]，通過SAA7111A上的I2C總線接口引腳(SDA)和引腳(SCL)來設定SAA7111A寄存器的工作參數[6]。I2C模塊初始化結構如下:

SAA7111A可采用外部和內部兩種時鐘。采用外部時鐘輸入時，需要在XTAL和XTALI引腳間接入頻率為24.576 MHz的石英晶體振蕩器。采用內部時鐘時，則在XTALI引腳接入24.576 MHz的時鐘信號。

設置 S AA7111A芯片工作時鐘為24.576 MHz，數據輸出格式為4∶2∶2，分辨率為720×576，幀頻為25 f·s-1[7]。視頻采集芯片SAA7111A通電后，并不是立即采集模擬視頻信號進行A/D轉換，它必須由Hi3510通過I2C總線對其內部寄存器進行初始化設置后，才能正常工作。視頻采集芯片 S AA7111A與Hi3510的接口連接框圖如圖4所示。

圖4 視頻采集芯片SAA7111A與Hi3510的接口框圖

2.3 視頻采集與處理模塊設計

為滿足全方位多角度信息采集需要，系統通過安裝直流型云臺控制攝像機工作，該類云臺大都采用直流步進電機，具有轉速高和可變速的優點，適合需要快速捕捉目標的場合。視頻采集與處理模塊工作時，首先通過Hi3510芯片控制云臺旋轉到相應區域，再由高精度CCD模擬攝像機將采集的模擬信號傳輸至采集芯片SAA7111A，由SAA7111A生成數字視頻，通過Hi3510視頻壓縮處理芯片轉化成為H.264格式的壓縮視頻碼流;其中一路視頻流被傳輸至機載存儲模塊，另一路傳輸至以太網通信模塊(RTL8201CP)，通過WiMAX終端的無線射頻模塊發送出去[8]。視頻采集與處理子系統結構如圖5所示。

圖5 視頻采集與處理子系統結構圖

3 結束語

設計的控制子系統傳輸通道較穩定，在PPM遙控下旋翼機平臺基本能正常工作;SAA7111A視頻采集芯片能快速、實時地采集地面圖像信息，Hi3510處理芯片采用H.264編碼方式，滿足圖像處理的高壓縮比和低失真要求。

[1]NORM G.航空運動[M].2版.航空世界雜志社，譯.北京:航空工業出版社，2007.

[2]GORDON L J.Development of the autogiro:a technical perspective[J].Journal of Aircraft，2004，41(4):765-781.

[3]NEARS S A.Enhanced Video Input Processor(EVI P)data sheet[J].Video Technologies，2005(10):93-96.

[4]Hisilicon Semiconductor.Hi3510 datasheet[M].Version 1.1.USA:Hisilicon Semiconductor，2006.

[5]李立莊，胡方明.利用I2C總線實現DSP對增強型視頻輸入處理器SAA7111A EVIP的配置[J].國外電子元器件，2008，23(2):46-48.

[6]張克滿，何格夫.用虛擬I2C總線技術實現SAA7111A的初始化[J].國外電子元器件，2005，20(1):26-29.

[7]黃輝.無人飛艇多媒體通信中繼與偵察系統硬件設計[D].西安:武警工程學院，2008.

[8]王博.無人偵察直升機信息處理與傳輸系統[D].長沙:國防科學技術大學，2004.