（安全技术及工程专业论文）微型无人机图像处理与传输系统设计.pdf

硬士论文 微型无人机图像处理与传输系统设计 a b s t r a c t i nw a r f a r e ，i ti st h ek e yt ow i nt h a to f f e r i n gt h ea c c u r a t ea n do p p o r t u n e i n t e l l i g e n c et oc o m m a n d e r sa n ds o l d i e r s r e c e n t l y ，a san e wk i n do fe q u i p m e n t ， m a v s ( m i c r oa e r i a lv e h i c l e s ) s h o w si t so u t s t a n d i n gc a p a b i l i t ya n dt a k e sa n i m p o r t a n tp a r ti nw a r s n o wa r m yo fm a n yc o u n t r i e sl a ye m p h a s i so nu s h a n ds t u d y i nt h i sf i e l dd e e p l y f i s t ，w ei n t r o d u c em a v s sd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca na b r o a d s u b s e q u e n t l y w ea n a l y s et h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，t h e ne x p o u n dt h et h e o r yo fd e s i g n i n g a n dp r o p o s et h ed e s i g n e dp r o j e c t t h i sc o n t e x tf i r s tp u t sf o r w a r dt h ew h o l es t r u c t u r ea n dd e s i g nm e t h o do f t h es y s t e m ，t h e n ，m a k es u r et h ep r o j e c to ft h ei m a g ed i g i t i z ea n dc o m p r e s s ， a n a l y s e ss o m eb a s i ct h e o r i e st h a tt h es y s t e mh a si n v o l v e d ，a f t e rt h a t ， i n t r o d u c e s t h em e t h o do ft h ea l a r mi m a g e st r a n s p o r t r f c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m v i d e og a t h e rp a r ti n c l u d e v i d e oi n p u ta n do u t p u t ，t h ed e s i g na d o p tt h ei n t e g r a t e dv i d e oc h i ps a a 7 1 1 1 at or e a l i z et h es i g n a lc o n v e r s i o no fa n a l o gv i d e oi n p u ts i g n a l ，i ta d o p tt h e i z cb u sa sp r o g r a m m i n gi n t e r f a c eo ft h ed e v i c e u n d e rt h eh e l po fc p l d ，t h e s y s t e mu s es a a 7 1 1 1 at od i g i t i z et h ei m a g ea n dc o m p r e s s i n gi tb yz r 3 6 0 6 0 t h et r f 6 9 0 3s i n g l e c h i ps o l u t i o ni sa ni n t e g r a t e dc i r c u i ti n t e n d e df o r u s ea sal o w c o s tm u l t i b a n df s ko ro o kt r a n s c e i v e rt oe s t a b l i s ha f r e q u e n c y p r o g r a m m a b l e ，h a l f - d u p l e x ，b i d i r e c t i o n a r f1 i n k t h em u l t i c h a n n e l t r a n s c e i v e ri si n t e n d e df o rd i g i t a l ( f s k 0 0 k ) m o d u l a t e da p p l i c a t i o n si nt h e n o r t ha m e r i c a na n de u r o p e a n3 1 5 一姗z ，4 3 3 一姗z ，8 6 8 - m h z a n d9 1 5 - m h zi s mb a n d s t h es i n g l e c h i pt r a n s c e i v e ro p e r a t e sd o w nt o2 2va n di sd e s i g n e df o rl o w p o w e rc o n s u m p t i o n t h es y n t h e s i z e rh a sat y p i c a lc h a n n e ls p a c i n go fb e t t e r t h a n2 0 0k h za n df e a t u r e sa f u l l y i n t e g r a t e dv c 0 o n l yt h ep l ll o o pf i i t e r i se x t e r n a t ot h ed e v i c e t w of u l l y p r o g r a n m a b l eo p e r a t i o nm o d e s ，m o d e oa n d m o d e l ，a l l o we x t r e m e l yf a s ts w i t c h i n gb e t w e e nt w op r e p r o g r a m m e ds e t t i n g s w i t h o u tr e p r o g r a m m i n gt h ed e v i c e a t l a s t ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nb a c k r o u n da n d t h ec a p a b i l i t y r e q u i r e m e n t s ，e a c hs u b s y s t e m sc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l ei s a n a l y s d e ，a n dt h eh a r d w a r ei sr e a l i z e d 2 硕士论文微型无人机图像处理与传输系统设计 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 年月日 颈士论文 锾型无入机图像处理与传输系统设计 1 绪论 1 1 课题背景和意义 微型无人机的突出特点是尺寸小、重量轻、直径或翼展只有十几厘米，重量大约 几十克。微型无人机主要用于低空侦察，最佳使用高度为4 5 6 0 米，最高可达1 5 0 米，通过小范围的侦察、向战斗小组或单兵提供他们所需要的信息，这不仅可减少部 队在侦察过程中的伤亡，还可大大提高作战效率。微型无人机还可以在城市建筑物中 以缓慢的速度绕过障碍飞行，执行侦察任务；还可以靠近敌人雷达天线作用区进行干 扰；也可用于通信中继、目标指示及生化武器探测等。1 。 无人机携带的化学检测载荷的作用是检测化学物的存在，向部队发出告警，令其 展开防护设备，以阻止或减少伤亡、降低污染。 现代战中中，气象信息对军事行动的顺利完成至关重要。大气压力、周围环境的 温度和相对湿度是保证火炮和导弹系统工作性能以及预测未来天气状况( 可影响地面 和空中军事行动及战术) 的重要条件脚。 自2 0 世纪8 0 年代以来，世界各军事强国均相继开始研制自己的微小型运载平台， 美国在阿富汗和伊拉克战争中开始使用无人职守的微小型飞行器( u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e s 舱v s ) 进行空中侦察并获取了大量战地信息。在最近的局部战争中，美国 已开始使用微小型地面运载平台( u n m a n n e dg r o u n dv e h i c l e s - - u g v ) 对敌方的山洞、 坑道等隐蔽设施进行侦察。世界一些国家正在研制微小型攻击武器，这一系列的应用 使微小型武器成为世界军事研究的热点方向“1 。 背景课题是设计一种微小型运载平台，它携带的化学检测、气象传感器和实时侦 察的设备，能实现战时、小范围、高频度、高分辨率信息的获取和处理，为作战和战 争指挥服务。在平时可以用于国家空间数据基础设施建设、资源调查、经济发展、规 划和管理、自然灾害监测( 如：森林火灾、洪水) 、城市交通管理、道路监测以及工 业生产控制等。本论文需要完成的任务就是在上述课题的背景下，完成一个无线图线 处理与传输系统，用以实现实时侦察。 1 2 微型无人机及图像处理和传输系统国内外研究现状 2 1 世纪的无人侦察机已成为侦察卫星和有人侦察机的重要补充和增强手段。它 与侦察卫星相比，具有成本低、侦察地域控制灵活、地面目标分辨率高等特点；与有 人侦察机相比，具有可昼夜持续侦察的能力，不必考虑飞行员的疲劳和伤亡等问题， 特别在对敌方严密设防的重要地域实施侦察时，或在有人驾驶侦察机难以接近的情况 硕士论文锾型无人视圈像处理与传输系统设计 下，使用无人侦察机就更能体现出其优越性。无人侦察机已成为重要的空中侦察装备 【嘲 。 美军微型无人机研究计划从1 9 9 2 年提出，由d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h p r o g r a ma g e n c y ，国防先进研究计划署) 启动的，经过大量的人力物力的研究，到目 前d a r p a 的微型无人机计划己初见成效，现在有4 种微型无人机正在进行飞行试 验。其中最为成功的是桑德斯公司研制的名叫“微星”的固定翼微型无人机，尺寸为 1 5 厘米，重8 5 克，最大负载1 5 克。它携带的昼夜摄像机及发射机可向士兵传送信 息，士兵用2 7 公斤重的笔记本电脑作为地面站，最终目标是把地面站装在个手持 式的装置中。另外，加利福尼亚州a e r o v i r o n m e n t 公司研发的“黄蜂( w a s p ) ”微型 无人侦察机重量约为2 0 0 克左右，长度不超过3 3 厘米，它装各了固定焦距的彩色侧 拍和正拍照相机，照片可以传回到地面的控制设备，并可附上目标的地理坐标。 日本于2 0 0 4 年9 月份开发成功当今世界上最轻的微型无人机“u f r i i ”。该机采 用二重反转式螺旋桨，可以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像机并可以将拍 摄到的图像情报迅速传送回基地。该机直径1 3 6 毫米、高8 5 毫米、自重1 2 3 克，可 持续飞行3 分钟。该机未来将主要担负室内恐怖活动发生时或核灾害场所的情报收集 任务。 2 0 0 4 年3 月2 5 日以色列飞机工业公司展示了他们制造的“小鸟”和“间谍”微 型无人侦察机，“小鸟”总重量1 3 公斤，一名士兵便可以携带和发射，他通过点击 笔记本电脑上的坐标控制飞机。飞机的飞行距离为5 公里。“间谍”的体积略微大一 些，由两名人员操纵，飞行距离是“小鸟”的两倍。这两种无人侦察机在传回照片的 同时，可以飞行一个小时。以色列飞机工业公司还展示了两种微型侦察机“蚊子”和 “蚊子”1 5 版本的原型，它们分别重2 5 0 克和5 0 0 克。“蚊子”装备有微型摄像机， 已经成功地进行了几次4 0 分钟的试验飞行。 新加坡也于2 0 0 4 年研制成功一种名为“扇尾鸽”的微型无人驾驶侦察机，这种 侦察杌尾部像扇子，与扇尾鸽相似，所以取名为“扇尾鸽”。它设计独特，其旋翼螺 旋桨四周装有保护罩，不像直升机那样，螺旋桨碰到障碍物就会导致整个飞行器坠毁。 这种侦察机高约7 0 厘米，加入油料后的重量介于2 至1 0 公斤之间。它可垂直升降， 不需要跑道，能在包括大厦顶部及停车场等多种场地起降。起飞后，它可根据需求横 向飞行，最高时速可达1 3 0 公里，航程在3 0 至4 0 公里之间，飞行高度可达1 5 0 0 多 米，最长滞空时间为l 小时，且不受气候条件影响，即使在大风中也能保持平衡。 我国由航天科技集团北京空气动力研究所研制的国内最小的无人侦察机体积非 常小，最小的只比人手掌大一点，具备摄影、实时传输图像、电子干扰等功能。目前 我军大量装备的a s n - 1 0 5 b 型无人侦察机主要用于空中侦察。它能够在战场上层空域 飞行，留空时间较长，可以进入战场纵深地带进行实时监控以及情报收集。其导航系 2 硕士论文 微型无人视图像处理与传输系统设计 统由g p s 和g l o n a s s 组成，以确保精确定位。a s n - 1 0 5 b 采用火箭助推器发射，降落 伞回收。a s n 1 0 5 b 全长3 7 5 米，翼展为5 米，全高i 4 米，最大起飞重量1 7 0 千克， 最大有效载荷4 0 千克，最大水平速度为2 0 0 千米小时，升限6 0 0 0 米。a s n 1 0 5 b 的续航时间可达7 小时，在2 0 0 0 米高度时的活动半径为1 5 0 千米。a s n - 1 0 5 b 的机载 设备可以选装多功能光学稳定平台、电视摄像机、红外扫描仪、微光电视摄像机、分 幅照相机、全景摄影机、航空图像记录器。另外，我军也大量装备了a s n - 1 5 轻型无 人侦察机，机上可装c c d 摄像机，胶片摄像机，实时图像传输系统，飞机最大水平速 度为9 0 千米4 , 时，高度5 0 5 0 0 米，续航时间6 0 分钟。 图像压缩技术的研究已经有几十年历史了。发展阶段大致分为： 第一代图像压缩编码方法在8 0 年代初已趋成熟；此类方法是基于象素的压缩方 法。在这类方法中。图像序列利用在空间上和时间上取样得到的一组象素值来表示， 而压缩的方法则是采用一般信号分析的方法来消除数据中的冗余。这类方法重要的是 了解信源的统计特性，而不关心图像的具体内容，很少考虑人的视觉特性。近年制定 的标准如m p e g i ，h 2 6 1 ，h 2 6 2 ，1 6 p e g 2 等都综合利用多种压缩算法来达到压缩的目 的。 第二代图像压缩编码方法从8 0 年代中期正式出现，这类方法在很大程度上依赖 人眼视觉特性，其核心思想是力图发现人眼是根据哪些关键特征来识别图像，或图像 序列的，然后根据这些特征来构造图像模型。例如，根据人眼对物体的轮廓比对物体 内部细节更为敏感的特点，可以利用物体( 而不是象素) 的集合来表示图像。所谓“物 体”是指按边缘信息将某特定图像分割成的若干区域，每个区域内部具有相同的特性。 分别对这些区域进行编码将比基于象素的编码方式有效的多。根据视觉特性的其它特 点，还可以构建其它的图像模型和编码方式。 无线通讯技术的萌芽可以追溯n - - 十世纪初期。”，早期的无线通讯技术主要应用 于海上紧急求救与海上无线通讯系统。而无线通讯技术被大量研究与发展是在第一次 世界大战末期，应战争的需求才开始。到1 9 世纪3 0 年代，商业无线广播的出现与收 音机的普及，使得无线通讯技术进入商业应用与个人生活。1 9 世纪4 0 年代末期，晶 体管的出现，不但进入了半导体时代也奠定了现代无线通讯技术发展的基础。1 9 7 0 年以后，个人无线行动通讯技术开始被建立与发展，也使得无线通讯技术进入了一个 崭新的纪元。尔后，由于半导体产业与通讯技术及其相关需求的快速发展，加上个人 计算机以及网络深入个人与家庭生活，不仅促使计算机与相关产业进入所谓的后p c 时代，亦使得无线通讯的技术及其应用范围不断地发展且向外扩张。无线通讯技术无 论是在企业应用或是个人日常生活都有逐渐取代现有有线技术的趋势，无线射频技术 正是其应用领域之一。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。随着 硕士论文 微型无人机蹿像处理与传输系统设计 后p c 时代的来临，个人、家庭或企业的电器设备皆有朝向可携带式与可通讯式设备 发展，因此短距离的无线通讯标准也被指定并逐渐占有重要地位。随着无线通讯技术 的逐步成熟，无线射频技术也在通信领域得到了广泛应用，例如射频识别技术( r f i d ) 被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车 等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动 化；安全出入检查：仓储管理；动物管理；车辆防盗等。此外，无线射频技术的应用 还包括蓝牙射频技术、下一代无线局域网( w l a n ) 、超宽频( u w b ) 、z i g b e e 、w i f i 、 近场通讯( n f c ) 等，其未来市场需求巨大，前景广阔。 1 3 论文主要工作 本论文要求设计一种体积小、重量轻和低功耗的微型无线图像处理与传输系统。 在前期对收集的相关资料进行现有技术分析，对比可能采用的通信频段、通信体制等， 根据系统的项目要求，在保证系统正常工作要求的前提下，确定微型无线图像处理与 传输系统设计的关键是其降低电力消耗、重量、尺寸。 本论文的具体内容：由模块化设计思想，在硬件设计上把微型无线图像处理与传 输系统分为两个部分，图像处理部分和无线数据传输部分。并且在详细阐述了系统各 个模块的硬件选择与连接的基础上，对模块设计中比较重要和需要注意的问题做重点 介绍。具体包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 通过查阅图像采集和压缩方面的资料，提出图像处理模块的设计技术方案， 同时对图像的采集、压缩及传输的设计中用到的一些技术理论做了一些简要地阐述与 分析。 ( 2 ) 以嵌入式处理器为核心，主要完成图像采集、压缩模块的硬件设计。 ( 3 ) 查阅无线数据传输方面的资料，提出无线数据传输模块的设计技术方案， 同时对数据传输过程中涉及到的理论做一些简要地阐述与分析。 ( 4 ) 以微处理器为核心，选用t r f 6 9 0 3 作为收发芯片，实现无线数据传输的硬 件设计。 4 硕士论文 锻型无人机匿像处理与传输系统设计 2 无线图像处理与传输系统总体设计方案 2 1 系统总体结构设计 高质量的实时战场图像是情报信息的重要组成部分，可以帮助情报分析人员研判 战场态势，统计战果。地面飞行控制人员也可根据微型无人侦察机周边环境图像，对 其飞行环境、状态综合判断，控制微型无人侦察机飞行。 本系统的工作原理：首先用图像传感器获得现场信号，然后转换为电信号，经模 数转换器采样、量化、编码后转换成数字信号，送至动态存贮器暂存，然后经由无 线数据传输芯片以无线方式将有效数据发送至接收端。本系统为了满足安全可靠，有 足够抗干扰能力，经济合理，方便使用的设计要求，采用模块化设计思想。模块化设 计可以使系统结构清晰，不仅容易设计也容易管理和修改，方便系统测试和调试，有 助于提高系统的可靠性和可修改性；同时，模块化设计也有助于系统开发的组织管理。 基于上述模块化思想，现将本系统分为以下两个模块：图像采集及处理模块；无线数 据传输模块。 2 1 1 图像采集及处理模块分析 图像采集指模拟图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储 器的过程。与模拟图像相比，数字图像具有很多优点：它对图像进行了数字化，便于 计算机处理；可利用计算机建立索引，便于查找；通过计算机的去噪、锐化等处理， 提高图像质量；数字图像抗干扰能力强，适合远距离传输；系统主要由电子设备组成， 易于维护与管理。 图像处理指对图像地特技制作、编码压缩及编辑工作等。由于数字图像数据量很 大，将给存储器的存储容量、通信主干信道的带宽以及计算机的处理速度带来极大的 压力。图像编码压缩技术是解决大量数据存储和传输的有效方法，既节省空间，又提 高了传输速率，使计算机实时处理、播放图像成为可能。目前图像编码压缩可分为有 损压缩和无损压缩两种。无损压缩的数据解压后得到的数据质量最好，但压缩比较低； 有损压缩解压后数据质量较差，但压缩比较高。静态图像压缩技术主要是对空间信息 进行压缩，而对动态图像来说，除对空间信息进行压缩外，还要对时间信息进行压缩。 目前已形成j p e g 、h 2 6 1 、m p e g 等压缩标准。 图像采集及处理系统是一种高速数据采集及处理系统，主要完成以上所述的图像 采集和编码压缩等工作。一个完整的图像采集及处理系统通常由以下5 个部分组成： 图像的采集、图像的分析处理、图像数据的存储、图像的显示输出、各种同步逻辑控 5 硕士论文 徽型无人杌踞像处理与传输系统设计 制。对于图像的采集和输出，根据不同的制式选用不同的采样频率和数据格式；对于 逻辑控制，通常选用各种逻辑控制电路，保证采集的实时性；对于图像的分析和处理， 可以运用运行于微处理器上的处理程序，也可以通过图像专用处理芯片来完成。 从技术上看，电子器件的集成度越来越高；从应用角度看，综合处理多媒体功能 的需求越来越普遍。因此“集成到芯片中，设计在主板上”将会是新一代图像采集及 处理系统的发展趋势。 2 1 2 无线数据传输模块分析 在信息传输系统方面，早期的有线模拟信息传输系统，一般采用专用电缆传输模 拟信号形式的信息，传输距离比较近。随着计算机( p c ) 普及，数字视频编码压缩技 术的日益成熟，研究重点转移到数字信息传输系统。 随着无线通信技术的发展，在一些特殊的工作场合，如当数据采集端处于运动状 态时，数据采集部分必须与主机分离。本系统中无人机飞行时运动距离范围大，具有 不可接触性，信息采集部分和地面监控管理系统必须分离。传统的无线通信电路结构 烦琐，调试困难，外围器件较多，限制了无线通信技术的应用。下面简单介绍几种无 线数据传输技术“7 “捌。 ( 1 ) i r d a 技术 i r d a 是红外数据组织( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 的简称，目前广泛采用的 i r d a 红外链接技术就是由该组织提出的。i r d a 红外通信技术是一种较早的短距离无 线通信技术，它一般采用红外波段内的近红外线，波长在0 7 5 2 5 r m 之间。目前i r d a 的最高速度标准为4 m b p s ，通信距离在1 m 以内，同时在点对点通信时要求接口对准 角度不能超过3 0 。i r d a 技术只限于在3 个设备之间进行链接，不能同时链接多个 设备。 i r d a 技术无需专门申请特定频率的使用执照，移动通信体积小、功率低，具备 点到点连接下的保密性、速率可以达到4 m 且所受干扰小的优势。对于要求传输速率 高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描仪、数码相机等， i r d a 技术成为首选。然而，i r d a 技术通讯距离短、通讯过程中不能移动、遇障碍物 通讯中断、功能单一和扩展性差等缺点大大阻碍了它的发展，受到了短距离射频通信 技术的挑战。 ( 2 ) i s m 频段射频通信技术 i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段主要是开放给工业、科学、医学， 三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会( f c c ) 所定义出来，属于f r e e l i c e n s e ，并没有所谓使用授权的限制，所以使用时不用申请许可证。工作于i s m 频 段的短距离射频通信技术主要有蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术、h o m e r f 、8 0 2 i i 标准。 6 硕士论文 微型无人机图像处理与传输系统设计 ( a ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 蓝牙技术是爱立信公司在1 9 9 4 年提出的一种最新的短距离无线通信技术规范， 是一种无线数据与语音的开放性全球规范。它以低成本的近距离无线连接为基础，为 固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其工作频段为全球通用的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段。蓝牙的数据传输速率约为1 m b i t s 。采用时分双工方 案来实现全双工传输，其理想的连接范围为1 0 厘米1 0 米，通过增大发送功率可以 将距离延长至1 0 0 米。 蓝牙技术最初的目的是希望采用短距离无线技术将各种数字设备( 如移动电话、 计算机、p d a 等) 连接起来，以消除现在这些千头万绪、令人头痛的电缆连线。随着 研究的进展，蓝牙技术可能的应用领域得到了大大扩展，比如，将蓝牙技术用于汽车 工业、无线网络接入、采用蓝牙技术在电气隔离性要去很高的情况下进行通信、将蓝 牙技术应用在信息家电中以及在其它所有不便于进行有线连接的地方使用等等。 ( b ) 8 0 2 1 l 标准 w l a ni e e e8 0 2 1 1 标准，定义了无线节点与网络中各种接入点问相互通信的接 口和协议。其规范包括红外线( 较少使用) ，跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 和直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 等方案。 从本质上说，1 | l a n 是调制在载波上的一个普通的l a n 协议。w l a ni e e e8 0 2 1 1 是l a n 以太网的无线延伸。i e e e8 0 2 1 1 设备的优点是能够支持复杂的m a c 特征，如节点隐 藏和应用点间的漫游。告诉i e e e8 0 2 i i 工作在2 4 g h zi s m 频段并将数据速率定为 5 5 m b i t s 和li m b i t s 。 、 i e e e8 0 2 1 1 标准是作为l a n 的无线延伸而设计的，可用于商业应用，也可在学 校和机场等公共场所配置。当应用于家庭联网时只需在此基础上进行相应的配置即 可，因为由同一个i e e e8 0 2 1 1 使能的p c 机可以很容易地连接到各种无线l a n 上， 为用户提供正确的安全握手过程。高速i e e e8 0 2 1 l b 无线l a n 以l l m b i t s 的高速率 进行数据传送，很适合l o m b i t s 的家庭p h o n e l i n e2 0 规范。其高速率特性也能和 开始广为使用的新的高速接入技术，如有线调制器和x d s l 很好的匹配。 ( c ) h o m e r f 技术 h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在p c 和 用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。它在第一代f h s si e e e 8 0 2 1 1 技术的基础上，增加了源自数字无绳电话规范( d e c t ，d i g i t a le n h a n c e d c o r d l e s st e l e p h o n y ) 的话音性能可选项。h o m e r f 采用5 0 跳秒的跳频速度以最大 限度地减少干扰，此跳频速率比i e e e8 0 2 1 l bf h s s 的跳频速率高的多，但在物理层 上则较i e e e8 0 2 1 1f h s s 规范有所放松。h o m e r f 工作频段是2 4 g h zi s m 频段，支 持数据和音频。h o m e r f 最大发射功率为l o o m w ，采用f s k 调制，通信距离约5 0 m ，数 7 硕士论文锻型无人机翻像处理与传输系统设计 据吞吐量约为i m p s 。和i e e e8 0 2 1 1 一样，一个h o m e r f 网络可以支持至多1 2 7 个节 点及4 个话音通信链接。作为无线技术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家 庭网络，为网络中设备，如笔记本电脑和i n t e r n e t 应用提供了漫游功能。就短距离 无线连接技术而言，它通常被看作是“蓝牙”和i e e e8 0 2 i i 协议的主要竞争对手。 ( 3 ) g p r s 数据通信技术 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有全球移动通讯系统( g s m ) 上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用 户提供分组形式的数据业务。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的 调频规则以及同样的t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 帧结构，这种新的分 组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道及其相似，因此现有的基站子系统 ( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式 下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、 低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断、突发性的和频繁的、少量的数据传输， 也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 是移动通信过渡产品，是一种高速分组数据交换技术，同时支持两种主流 的分组数据网络协议：i p 和x 2 5 。它改良了现有的g s m 网络系统，使得g s m 系统可 以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时提供电路交换和分组交换两种 承载业务。基于分组数据包，使现有的移动通信系统提供的数据业务首次从9 6 k b p s 飞跃到l o o k b p s 以上，极大地提高了移动用户的移动通信能力，而且由于分组交换是 基于统计复用的原理，它大大地提高了无线信道和核心网络的使用效率。通过g p r s ， 移动用户可以直接连接到i n t e r n e t 上处于一直在线的状态，而无需拨号连上一个特 定的i s p ，而且用户只须为他们实际使用的通信数据总量付费。 2 1 3 系统总体结构分析 微型无人机图像处理与传输系统包括图像采集及处理模块、无线数据传输模块两 个子系统，是整个微型无人机图像处理与传输系统中的关键部分。 由于机载部分的结构应体现模块化、体积小、重量轻、便于安装调试的设计思想； 因此机载部分选用通用微处理器，通过微处理器片上各种外围电路与各功能模块连 接。 机载部分各功能模块通过与通用微处理器的接口实现信息的交换，在微处理器的 协调和调度下统一工作。这样一方面使得系统具有良好的扩展性和可维护性，另一方 面适应有限的机载空间。图像采集与处理子系统实时采集视频，并将采集生成的数字 视频予以编码压缩处理，通过无线通信模块向地面监控站传送。 s 硬士论文微型无人视图像处理与传输系统设计 图像采集及处理模块：本微型无人机要求提供实时、高质量的侦察图像。由于无 人机载荷有限，只能搭载重量较轻的高分辨率模拟摄像机。采用可编程视频采集芯片 采集模拟图像，转化生成数字图像。对于分辨率较高的数字图像，其数据量巨大，且 无人机与地面只能通过无线方式通信，信道带宽有限，难以保证图像的实时传输，因 此需要对数字图像进行编码压缩，在保证一定画质的前提下尽可能减少数据量。压缩 工作可以通过软件或专用硬件完成。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，应用受限制。为保证系统最优功能状态，通过m p e g 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m p e g 4 码流，实时性好。 可靠性高。模块工作和码流流向由微处理器调度管理，通过无线数据传输模块下传地 面监控管理系统。 无线数据传输模块：采用无线通信芯片构建，可实现数据收发功能。机载端接 收地面无线发送的控制指令，向地面发送实时图像；地面端向无人机发送控制指令， 并接收无人机发送的实时图像。 本论文研究的主要内容是由图像采集及处理模块、无线数据传输模块构成的微型 无人机图像处理与传输系统。 2 2 系统设计方案拟定 微型无人机图像处理与传输系统的设计思想如下： 整个系统由图像采集与处理模块、无线数据传输模块组成，各模块工作于微处理 器的管理和协调之下。 ( 1 ) 图像采集与处理模块 本模块包含模拟图像输入子模块、图像a d 采样子模块和m p e g 4 编码子模块。该 模块完成现场图像采集、采样、编码的过程。硬件框图见图2 2 1 。 ( a ) 图像信号采集与编码子模块 该模块由云台和摄像机组成。摄像机采集模拟图像信号，为随后的a d 采样模块 提供信号源。整个模块通过r s 一2 3 2 和中心控制模块相连，摄像机镜头获得用户对摄 像机镜头的控制信号，如变倍、变焦、变光圈等。云台获得用户的远程控制信号，并 通过水平方向和垂直方向的位置的改变来响应用户的不同的监控需求。 ( b ) 图像a d 采样子模块 该模块以图像采样芯片为核心，把从摄像头输入的模拟图像信号以一定的采样频 率离散化转化为数字图像信号，然后进行编码预处理，即把图像解码输出的c c i r 6 0 1 格式的信号转化为编码器可以处理的c i f 或q c i f 格式，然后送至m p e g 4 编码子模块 进行m p e g 4 压缩编码。 ( c ) ( p e g 4 编码子模块 9 硕士论文微型无人机图像处理与传输系统设计 该模块以m p e g 4 编码芯片为核心，它把c i f 或0 c i f 格式的输入信号经过高效的 编码和压缩算法转换为可以无线传输的数字图像编码流，编码芯片的工作效率在很大 程度上决定了整个系统的性能。 陌习 i 块 l c c d 摄像 头 s a a 7 1 1 i a 视颓解 码芯片 m a x 7 1 2 8 c p l d a l 4 4 0 b f i f o z r 3 6 0 6 0 视频图像 压缩芯片 l p c 2 2 1 4 a r m 处理 器 f l a s h 程 序存储 器 图2 2 1 图像处理模块的硬件设计框图 ( 2 ) 无线数据传输模块 s d r a m 数 据存储 器 该模块以微处理器w 7 8 e 0 5 1 c 为核心，选用t r f 6 9 0 3 作为收发芯片，构成基于无 线射频技术的无线数据传输模块。硬件框图见图2 2 2 。 w t b e 0 5 1 c 图2 2 ，2 无线数据传输模块框图 下面章节将分别对图像处理模块和无线数据传输模块的相关理论以及设计进行 说明。 2 3 本章小结 本章首先对微型无人机图像处理与传输系统的总体结构进行了分析，并根据图像 采集与处理模块、无线数据传输模块的一般结构，阐述了微型无人机图像处理与传输 系统的设计思想，制定了系统的设计方案。 1 0 硕士论文微型无人机图像处理与传输系统设计 3 图像采集与处理模块设计 3 1 图像采集与处理相关理论介绍 由系统分析可知，图像采集与处理模块的输入数据为模拟图像信号，而本图像处 理与传输系统所处理的信号都为数字图像信号，因此需要将模拟图像信号转换为数字 图像信号。这一节将主要介绍本论文涉及到的图像处理相关理论和标准。 3 1 1 图像传感器的选择 要实现图像的传输，首先必须要对图像进行采集，常用的图像传感器主要有两种： c c d 图像传感器和c o m s 图像传感器。 3 1 1 1 图像传感器相关知识 ( 一) c c d 图像传感器 电荷耦合器件c c d ( c h a g r ec o u l e dd e v i c e ) 是一种新型光电转换器件，主要由 光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能。 它集成度高、功耗小，目前己经在摄像、信号处理和存贮三大领域中得到广泛的应用， 尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。光敏单元通常按矩阵排列，其作 用与人眼视网膜上的感光细胞相同，用来感受入射光线的强弱与色彩。光线透过镜头 照射到c c d 上并被转换成电荷。每个光敏单元上的电荷量由它所受到的光照强度决 定。当对它施加特定的时序脉冲时，其存储的信号电荷便可在c c d 内作定向传输而实 现自扫描。c c d 本身是单色元件，通常面阵c c d 采用两种方法来处理色彩：一种是将 彩色滤镜嵌在c c d 矩阵中，相近的象素使用不同颜色的滤镜。滤镜典型的排列方式有 基色g p p b 和补色c y - g m 两种。这两种排列方式成像的原理相同。在记录图像信 息的过程中，微处理器从每个象素获得信号，将相邻的四个点合成为一个象素点。因 为多点象素合成要进行数学计算，因此这种c c d 所产生的图像清晰度相对不高。另一 种处理方法是使用三棱镜，对从镜头入射的光线分光，产生三束光线。再通过内置光 栅分别过滤出三基色中的一种，最后使用三块c c d 分别感光。这些图像最后合成出一 个高分辨率、色彩精确的图像。这种方法实现了同一点象素合成，所以拍摄的照片清 晰度相当高，但是数据量很大。目前有能力生产c c d 的公司有s o n y ，p h i l p s ，k o d a k ， p a n a s o n i c ，f u j i ，s a n y o 和s h a r p 等。 c c d 在外加工作电压( 驱动脉冲电压) 驱动下，光信号输入时光敏元件经光电转 换，对应每个象素位置上产生相对应光信号光强强弱不同的电荷。再给c c d 阵列加上 硕士论文微型无人机图像处理与传输系统设计 按时间序列转移的电压，驱动在光敏象素中生成的电荷以象素为单位高速连续地输 出。 ( 二) c m o s 图像传感器 c m o s 图像传感器的象素结构目前主要有两种：无源象素图像传感器p p s ( p a s s i v e p i x e ts e n s o r ) 和有源象素图像传感器a p s ( a c t i v ep i x e ts e n s o r ) ，如图3 1 1 所 示“”。由于p p s 信噪比低，成像质量差，目前实际应用中绝大多数c m o s 图像传感器 采用的是a p s 结构。a p s 结构的象素内部包含一个有源器件，该放大器在象素内部具 有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像c c d 器件那样经过远距离 移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的c c d 器件的缺陷。 ( z j 押s a 羹嫱均a 坩窜霉囊拈 图3 1 1 铡o s 图像传感器的象素结构 由于每个放大器仅在读出期间被激发，将经光电转换后的信号在象素单元级放 大，然后用x y 地址方式读出，提高了固体图像传感器的灵敏度。a p s 象素单元有放 大器，它不受电荷转移效率的限制，速度快，图像质量较p p s 得到明显改善。但是， 与p p s 相比，a p s 的象素尺寸较大，填充系数小，其设计填充系数典型值为2 0 3 0 9 6 。 一个典型的c m o s 图像传感器的总体结构如图3 1 2 所示。在同一芯片上集成有模拟 信号处理电路、1 2 c 控制接口、a d 转换电路、曝光白平衡等控制、图像时序产生电 路、数字转换电路、行选择、列选择及放大、光敏单元阵列。芯片上模拟信号处理电 路主要执行相关双采样c d s ( c o r r e l a t e dd o u b l es a m p li n g ) 功能。芯片上a d 转换器 可以分为象素级、列级和芯片级几种情况，即每一个象素有一个a d 转换器、每一列 象素有一个a d 转换器，或者每一个感光阵列有一个a d 转换器。由于受芯片尺寸的 限制，象素级的a d 转换器不易实现。c m o s 芯片内部提供了一系列控制寄存器，通 过总线编程( 如1 2 c 总线) 来对自动增益、自动曝光、白平衡、x 校正等功能进行控制， 编程简单，控制灵活。 硕士论文微型无人机图像处理与传输系统设计 图3 l2c m o s 图像传感器的组成框图 3 1 1 2 图像传感器的选型 c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器有各自的优点。使得二者互为补充。 c c d 图像传感器具有低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等优点，将继续保持在高 端摄像技术领域的应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高 性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用。c c d 器件的灵活性体现为，与采用c m o s 器件相比，用户构建更多不同的摄像系统。 c c d 图像传感器有以下优点： 体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高。 光谱响应范围宽。一般的c c d