【《某四旋翼无人机车载自动起降控制模块系统主要硬件设计分析案例》3700字】

某四旋翼无人机车载自动起降控制模块系统主要硬件设计分析案例1.1摄像机1）摄像机信号的输出选择目前摄像机信号接口主要有USB、1394、CameraLink、千兆网、SDI等多种类型输出接口，各有优缺点。USB接口的帧率高，与计算机通讯方便，性价比高，但传输距离有限且抗干扰能力差；1394接口占用CPU资源少，帧频高，稳定，但标准计算机通常不包含其接口，因此需要额外的采集卡；CameraLink接口传输速度快，但也需要单独的接口，不便捷，成本较高；千兆网接口主要用做高速、大数据量的图像传输，传输距离远，但传输实时性差视频延时较大。SDI接口把数据字的各个比特位通过单一通道顺序传送的一种数字分量串行接口，根据其接口传输速率可分为SD-SDI(标清信号)、HD-SDI（1080p＠30fps）、3G-SDI（1080p＠60fps）、12G-SDI（4K＠60fps），而HD-SDI接口[31]是一种最常用的高清数字输入、输出接口，HD表示高清信号。HD-SDI应用较为广泛，在SMPTE292M协议[32]中规定了在1.485Gb/s速率条件下详细的数据传输接口规格，该规格具体规定了数据源格式、信道编码方式、同轴电缆接口的信号规格、连接器及电缆类型与光纤接口等。因此在工程应用中HD-SDI接口摄像机可采用同轴电缆，以BNC接口进行传输，制造工艺性较好。作为车载设备应用相对于目前在监控领域应该更为广泛的网络高清摄像机，HD-SDI高清摄像机有以下独特的技术优势如：图像高清不失真，HD-SDI数字高清摄像机输出的视频信号为未经过压缩的原始视频数字信号，不会因视频编码压缩而产生视频清晰度下降、图像失真等问题，其系统通信安全性高。图像实时性好，相对于网络高清摄像镜的300ms以上的图像延迟，HD-SDI数字高清摄像机的图像可接近零延迟，实现真正的实时图像视频输出；特别是在复杂网络系统中，网络视频信号的传输延时往往不可控，时常会超过几秒，甚至会造成视频卡顿停滞，会而HD-SDI数字高清摄像机输出视频信号是经过同轴电缆传输，数据传输时延可控。2）摄像机视场角计算根据GPS误差和控制距离估算要求变焦摄像机能在100m远识别发现无人机，即在视频图像上能分辨目标无人机形状特征。除环境因素外无人机图像能否分辨主要根图像像素大小有关，图1.4中的无人机图像大小分别为16×16像素、24×24像素、32×32像素、48×48像素、64×64像素。16×16像素24×24像素32×32像素48×48像素64×64像素图1.4根据显示图像分析当无人机图像为32×32像素大小时即可识别。拟选用图像分辨率为1920×1080像素的SDI高清摄像机，本文控制的无人机大小为0.35m×0.35m。在视频图像能否发现100m处的无人机目标，在摄像机分辨率已确定的前提下首先应确定镜头的视场角。物体水平向成像示意图如图5所示。图1.4物体成像示意图图1.4中，f为镜头焦距，h为摄像机图像传感器尺寸，L为镜头到物体的距离，H为视野目标物体的高度，Hm为目标物体的高度，hm为目标物体在摄像机相面所占尺寸，α为镜头水平视场角。根据图中空间几何关系可推导以下公式：HmH2tanα2=根据公式1.1和公式1.2，设计时设定L确100m，Hm取0.35m/2,hm/(h/2)为目标物体成像所占像素处摄像机水平向总像素即是32/1920。由此求得镜头水平视场角α为11.99°，约等于12°。当摄像机成像所需视场角确定后，摄像机所配置的镜头，其焦距大小主要与摄像机所选的图像传感器焦平面大小有关。3）摄像机镜头焦距计算摄像机镜头的根本作用是把被观察的场景光像聚焦在图像传感器感光元件靶面上。往往将各种不同形状、不同材质的光学镜片零件按一定方式组合起来，使光线透过这些光学镜片零件后，按照成像需要改变光线的传输方向而被图像传感器接收，从而完成物体成像。根据焦距是否可调可将光学镜头分为定焦镜头和变焦镜头，定焦镜头结构简单抗震性好，变焦镜头使用方便，但在应满足成像清晰、透光率高、像面照度分布均匀、图像畸变小等要求。根据图1.4所示，当视场角确定后，镜头的焦距大小选取由摄像机焦平面尺寸决定。f=LhH=在设计时选择了1/2.8in图像传感器（水平向尺寸h为7.9mm），α取值12°，因此根据公式1.3可求得镜头焦距f约为37.6mm。综合总体机构、信号接口、图像成像大小等要求，选择VRS-HD5301A型1080PSDI高清一体化摄像机，镜头与图像传感器集成为一体，外形如图1.5所示。图1.5SDI高清一体化摄像机该摄像机支持30倍光学连续变焦，镜头焦距f4.3mm至129mm，视场角63.7°至2.3°可满足系统要求，摄像机主要技术参数如表1.2所示。表1.2摄像机主要技术参数图像传感器1/2.8-type“Exmor”CMOS图像分辨率约238万像素镜头30倍光学变焦，12倍数字变焦焦距f=4.3mm(wide)～129mm(tele)最低照度0.1lux(彩色)0.008lux(黑白)最小物距10mm(广角端)至1000mm(远端)(默认300mm)水平视角63.7（近端）～2.3度（远端）信噪比大于50dB1.2超声波传感器超声波测距是常用的非接触式检测方式之一，我们把谐振频率高于20kHz的声波称为超声波，超声波为直线传播，反射能力强，而绕射能力弱，利用超声波的这种物理特性，常常用声波发出到接收的时间检测法进行距离测量。该类型传感器在使用中不受光照强弱、电磁场干扰、被测物色彩变化等因素的影响，并且信号线性度好、速度快、成本低，因此在机器人避障和定位、液位测量等方面已经有了广泛的应用。其工作原理是：声波发生器在某种均匀介质中发射超声波，声波遇到目标后，声波反射都声波接收器上，可假设已知在某介质中声速为C，声波收到时刻与发射时刻的时间差为t，就可以计算出传感器与被测物体的距离S：（1.4）式中C为超声波的传播速度m／s。如果忽略空气中的水蒸气和其他杂物的影响，超声波在25℃下的传播速度为340m／s，在空气中超声波传播速度受温度、湿度、压强等因素影响，其中温度因素的影响为大[33]。一般情况下，空气温度升高1℃，声速增加约为0．6m/s，空气中的声波传播速度可近似地表示为：（1.5）式中T为环境温度，单位℃。根据探测距离选用倍加福UC2000-30GM系列超声波测距传感器。传感器检测距离3米，特性如图1.6所示。图1.61.3主控计算机设计在本系统中主控计算机主要作用是，图像处理，控制决策运算，接收、处理、输出总线控制命令等。该系统的主控计算机一般工作在泥土砂尘飞扬、剧烈振动、高温低寒、复杂电子兼容等恶劣的野外环境。因此在主控计算机设计时优先考虑选用车载加固计算机方案。车载加固计算机相对于通用计算机，首先要保证计算机能够满足应用环境的可靠性和安全性要求。因此，不同于通用计算机和传统工控机刻意追求CPU速度和性能，而是在满足计算性能的要求的基础上更多关注计算平台的电气和物理性能的稳定可靠性性。过去车载加固机，通常选用商用或传统工控机CPU板卡和其它组件封装在加固机箱中，搭建车载加固机系统。由于商用或传统工控机CPU卡无论在电气性能和机械性能的稳定可靠性方面，都存在着固有技术问题，使得这种拼凑式的车载加固计算机的可靠性和可用性难以满足环境要求，而CPCI总线技术应用于车载加固计算机领域，使其可靠性和可用性大幅度提高。采用CPCI架构的加固计算平台，相对于商业PC和传统的工业PC架构来讲，更能适应相对作业工作环境较为恶劣的温度、冲击、振动、砂尘、电磁干扰等环境，从而保证系统硬件能够在恶劣条件下的稳定运行。CPCI是CompactPCI的简称，是一种基于标准PCI高性能总线技术，其结构精巧紧凑、坚固可靠，它高度融合了VME（VersaModuleEurocard）[34]密集坚固封装和高效冷却效能，同时兼顾技术发展迅速的PC资源，其在内部电气接口使用标准的Eurocard外型插卡，安装于固定支架上，采用垂直安装、顶端抽取结构，很好的解决了板卡的散热性、抗振性和维护更换等问题。CPCI的电气特性与PCI总线相同，应用软件可与普通PC兼容，现有的PCI外围卡也可以方便移植到CPCI平台。CPCI与标准PCI属同一标准，但与传统商用PC和工控机相比二者还是有很大的不同，CPCI在以下几个反面性能更优：（1）系统抗振性强CPCI板卡上下有固定导轨，板卡的前端通过气密性的针孔连接器插在背板固定插座上。板卡可以通过面板两侧锁死机构固定在机箱固定槽内，CPCI板卡的可实现前后上下全方位固定，因此其抗振性大大提高。（2）散热性好CPCI板卡采用欧规卡结构，板卡垂直安装，导热结构与机箱接触充分，系统的热气从下而上吹，符合空气对流原理，散热效果好。（3）CPCI板卡电气连接可靠CPCI板卡选用的电气连接插头和插座一般选用镀金工艺，并严格定义了信号线的长度限制，以及PCB板的阻抗、去偶电容、上拉电阻阻值等电气参数值，因此CPCI的电气特性更可靠稳定。（4）防腐和电磁屏蔽性好CPCI一般使用微小型气密性针孔总线连接器，能隔离盐雾、酸雾和带电粉尘，同时，CPCI的全铝合金机箱外壳和U型高强度铜质弹簧片能给系统提供良好的电磁屏蔽保护。（5）机箱深度浅，便于机柜安装CPCI的机箱深度一般只有258mm，大大短于普通工控机的机箱深度400～450mm，给设备安装留下了更大空间，扩大了车辆承载空间。本系统在机箱设计时采用了ATR加固结构设计（GJB441-1988），具有高级别的环境保护设计和散热性能。前面板安装有手提把手，便于移动。CPCI扩展底板安装在机箱底座上，可以插接5个IEEE1101.21992标准板卡，并为其调节直流供电分配。板卡在机箱内部牢固卡紧，不仅保证了板卡的物理安全，也形成了良好的热接触。同时，机箱尾部的风扇，使冷空气经过热交换墙体吸入机箱内部，确保了优良的散热性能。通过在机箱壳体为整体特种导热合金雕刻而