微小型无人机无线数字视频传输系统的设计与实现

0 引言
微型无人侦察机的首要任务是实现图像信息的实时获取与无线传输。国外对此问题早有研究，但由于技术的封锁，目前可供借鉴的资料较少。例如美国研制的“黑寡妇”图像无线传输系统，采用调频体制，视频发射器重1．4 g(占整机的12％)，有效传输距离1．5 km。美国桑德斯公司的MicroStar微型飞行器也配备有图像无线传输系统，其中携带的侦察微型摄像机重4 g，每秒可拍摄30帧清晰的地面画面。搭载的PRISM无线电通信信息传送系统，重6g，有效传输范围达到了5 km。国内在该方面的研究起步较晚，技术相对落后，主要采用模拟传输方式，频率使用率低，系统易受干扰。而研究较成熟的无人机载图像实时传输系统，其图像质量指标、信道编码效率等均不高，且抗多径干扰差。同时，由于微小型飞行器的载重及能量供给非常有限，对机载部分的功耗、重量、安装尺寸等都提出了更为严格的要求。因此，开发适用于微型飞行器的微小摄像与无线传输系统尤为重要。本文所研究的主要内容以某微型无人侦察机的需求为背景，提出了一种视频图像的无线数字传输方式，该系统具有体积小、功耗低、实时性好及传输可靠等特点。

1 系统原理
微型无人机要求提供实时、高质量的侦察图像。本文所采用的摄像与无线传输系统组成框图如图1所示，主要由图像传感器、视频压缩编码芯片、微处理芯片、FLASH芯片和SDRAM内存以及无线网卡等组成。

由于受微型无人机的载荷所限，该系统首先选用重量较轻的高分辨率模拟摄像机采集视频信号，然后利用图像编码器将采集到的模拟图像，转化生成分辨率较高的数字图像。编码后的数字图像数据量巨大，且无线通信信道的带宽有限，难以保证视频图像的实时传输，因此需要对数字视频图像进行编码压缩，在保证一定画质的前提下尽可能减少数据量。压缩工作通常可以选用软件或专用硬件来完成。然而专用编码压缩软件代码规模较大，设备要求高，且机载微处理器功能有限，使其应用受到限制。为保证系统最优功能状态，选用MPEG-4专用编码芯片对采集后得到的数字图像进行硬件编码压缩，生成MPEG-4码流，实时性好，可靠性高。模块工作和码流流向由ARM微处理器调度管理，同时，微处理器通过RS 485和摄像模块相连，传输摄像机镜头的控制信号，如变倍、变焦等。机载云台也通过RS485获得用户的远程控制信号，并通过水平和垂直方向的位置改变来响应用户的不同偾察需求。在完成数字视频侦察系统的开发后，为系统加入了基于开放的802．11协议的无线加密传输模块，为系统的安全工作带来保证，避免了无线视频系统的安全漏洞。

2 硬件设计
微型无人机视频处理与传输系统主要包括视频采集及处理模块、无线数据传输模块2个子系统，是整个微型无人机视频系统中的核心部分。
本文视频编码器采用的编码器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次发表的低价格低消耗功率但提供高质量影像输出的影像编码器。在它的输入前端有阶梯状滤波器，不用为系统添加额外的滤波器。同时，ADV7180还提供了DNR／CTI的影像强化输出调整，ADLLT更独步全球提供给系统在弱信号的处理上强有力的支持，使传输的图像更加平稳。拥有智能型影像处理器的ADV7180在控制上也更为简化，只需设定少数的暂存器就可输出高质量影像，无需为影像编码器设定繁琐复杂的程序。
视频压缩芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如图2所示，它是针对网络视频传输所设计的MPEG-4专属芯片。MPG-440A支持高阶影像数字监控功能，包含D1分辨率、防伪水印、动态调整IP帧比率与动态调整质量，是特殊场合监控用的最佳影像处理器，可产生最小比特率并符合长时间储存要求。