基于無人機的圖像和GPS數據采集系統的研究與實現*

陳貽國，潘日敏，申 燊

（浙江師范大學 數理信息與工程學院，浙江 金華 321004）

無人機系統作為一種高端的遙控設備已經被廣泛應用于軍事偵查、遠程監控和地質測繪等領域。通常無人機系統的首要任務是將實時采集到的圖像信號通過無線通信設備傳送到地面基站。國外對于這方面的研究較早，但由于技術封鎖等原因，目前可供借鑒的資料很少，加之我國在該方面研究起步較晚，致使我國在無人機無線視頻圖像傳輸領域的技術較落后。現階段的無人機圖像采集技術主要有兩種方式：一種是采用模擬傳輸方式，其頻率使用率較低，系統易受干擾，其圖像質量較差，信道編碼效率不高，且抗多徑干擾較差；另一種是采用模擬的CCD攝像頭通過模數轉換芯片變為數字信號，再由控制器進行壓縮和處理，這樣不僅加重了控制器的負擔，而且也易造成系統功耗較大。同時，由于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、重量和安裝尺度等都提出了更為嚴格的要求。本文設計了一種基于CMOS攝像頭和數字圖像處理芯片的圖像和GPS數據采集系統。該系統具有體積小、傳輸速率高、傳輸距離遠、帶有數據壓縮和圖像增強功能的特點[1-12]。

地面基站作為無人機系統的“神經中樞”，擔負著采集及分析飛行數據、驗證及評價飛行效果和保證飛行安全等重要任務。因而，一個好的無人機系統常常需要有功能強大的地面基站平臺才能發揮最好的飛行效果。本文設計了一種利用VB編程軟件在PC機上實現的具有航跡記錄與預測、手動控制飛行、飛行狀態監控和視頻圖像顯示等功能的地面基站平臺。地面實驗表明該系統具有很好的應用效果[9]。

1 系統結構和工作原理

本系統包括機載的視頻圖像采集系統和地面基站平臺兩部分，其結構框圖如圖1所示。系統硬件由攝像頭模塊、GPS數據采集模塊、STM32微控制器和NRF905無線通信模塊構成。

該系統以STM32F103RBT6微控制器為核心，機載微控制器通過串口1和串口2分別與VC0706圖像處理芯片和GPS接收機進行通信，主要實現以下幾個功能。（1）機載微控制器通過控制指令控制VC0706圖像處理芯片實現控制攝像頭拍照、圖像數據壓縮以及數字圖像傳輸等任務。（2）機載微控制器將GPS接收機發出的數據按照國家標準的GPS接收機數據輸出格式（GB/T 20512-2006）進行解碼。再將采集到的圖像數據和GPS數據按照事先約定好的通信協議通過NRF905無線通信模塊與地面基站的STM32微控制器進行通信，基站的微控制器再將數據通過內嵌的USB接口傳送到上位機上。由此，實現了圖像和GPS定位信息的采集、傳輸和上位機顯示的功能。

2 相關問題及設計方案

本系統大體可分為圖像和GPS數據采集、無線通信以及上位機編程三部分。

2.1 數據采集系統

圖像數據采集需要克服數據量大、傳輸實時性等問題，同時，需要考慮到STM32微控制器內部數據儲存容量有限[1]，對圖像數據需要進行分批傳輸。數字攝像頭采集一幅 480×640的圖像數據量為 307 200 B，而經過VC7076處理芯片進行壓縮率為30%的壓縮處理后，數據量可以減少為92 160 B左右[6]。STM32微控制器的串口傳輸速率可以達到115200b/s[4]，而STM32F103RBT6微控制器的內部數據存儲器只有20 KB，無法保存一幅完整的圖像數據。由于NRF905無線發射模塊每次最多發射32 B的數據，因此VC7076中接收數據只需要微控制器發送起始地址和結束地址指令即可。所以，在微控制器的軟件設計中定義了兩塊容量為1 KB的數據存儲塊，并且在接收數據時使用微控制器內嵌DMA模塊。初始化時，設置DMA數據為串口數據輸入，這樣每當微控制器的串口接收到1 B的數據，就可以通過DMA模塊自動地保存到相應的地址中而不需要微控制器內部CPU的參與，這使得CPU可以空閑出來進行發送部分的處理。當一塊數據接收完成后，會觸發DMA中斷，CPU就可以在中斷中重新配置起始地址和結束地址，使得微控制器能夠循環進行數據接收。在程序中，首先定義了一個用于數據接收和發送的結構體，其中的數據成員是兩個容量為1 KB的存儲數據塊和用于指示接收和發送所用的數據塊指針。數據接收的軟件流程圖如圖2所示。

該軟件程序初始定義為：

由于GPS接收機發出的數據以ASCII碼的形式發出，并且按照GB/T 20512-2006標準進行信息編碼，因而需要對從接收機接收到的數據進行解碼從而得到能進行處理和識別的數據。GPS接收機采用的是Gstar GS-89模塊，該模塊能夠檢測當前位置的經度、緯度、海拔高度、標準定位時間和接收衛星數等信息。GPS接收機輸出的信息是以語句的形式進行發送的，總共有5種語句，每條語句都以$開頭，并以回車結束，同一語句中的不同數據之間采用逗號隔開。其中，GPGGA語句包含當前的定位信息，也是應用最廣的語句，因而，對GPGGA語句的解碼最重要。GPRMC語句的格式如下：

其中，（1）表示定位時間，（2）、（3）表示緯度，（4）、（5）表示經度，（9）表示海拔高度。對上述數據的解碼是系統獲取GPS數據的重點，解碼的軟件流程圖如圖3所示。

2.2 無線通信系統

無人機與地面基站之間數據的傳送需要使用無線通信系統來進行。系統的無線通信部分采用的是NRF905-33A無線模塊，該模塊的最遠通信距離可達到3 km，非常適于小范圍內的通信網絡，而且重量輕，適于在無人機上進行攜帶。

NRF905-33A無線模塊一次只能傳送32 B，微控制器每次需要等待無線模塊傳送完成后才能進行下一次的數據傳送。而系統中需要進行GPS和圖像兩種數據的傳送。為了提高無線通信的速率和通信的準確性，系統采用了分時傳送的方法，即利用GPS接收機每隔1 s更新一次定位數據的特性，將GPS數據的傳送設定為1 s傳送一次，而其他時間則進行圖像數據傳送。為了區分圖像數據和GPS數據，在每次不同數據轉換時采用了發送32個相同數據的方法與地面基站的接收機進行同步。

2.3 上位機編程

上位機編程采用了Visual Basic編程語言。該編程語言是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，不僅簡單易學，而且功能強大。

上位機需要解決的主要問題是如何進行圖像的顯示。由于傳送到上位機的數據為JPEG格式，本文采用了一個較為巧妙的方法，即先打開一個空的JPEG格式的文件，然后在有數據發送到上位機時就檢測該數據是否為圖像的數據頭（0xff，0xd8）或數據尾（0xff，0xd9），并將數據寫入到打開的圖像文件中。當檢測到的數據為數據尾時，就將圖像文件顯示出來。其編程語句如下。

本文針對無人機系統的特性以及要求，提出了一種基于STM32微處理器實現圖像和GPS數據采集、傳輸以及在上位機顯示的設計方案。經過靜態的地面測試證明，該系統能夠很好地實現設計要求的功能，而且傳輸速度較快，可以滿足無人機系統的實時性要求；該系統運行良好，抗干擾能力強，有很好的繼承性和維護性。本系統模塊化的設計方案和實現方法對無人機系統的設計和研究具有一定的參考價值。采用STM32微處理器，可以大大降低無人機系統的硬件設計難度，縮短設計周期。此外，STM32微處理器還支持串口燒錄和在線仿真，可以大大減少軟件設計的成本。隨著ARM單片機功能的不斷提升，基于ARM技術的STM32系列單片機以它特有的優勢將在高新技術領域得到廣泛的應用。

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