基于3G/4G多旋翼飛行器的視頻傳輸系統(tǒng)資料下載

引言目前，多旋翼飛行器由于構造簡單、操作簡易，在影視媒體、物流傳輸、安全監(jiān)控等領域有一定的應用價值，是當前研究的一個熱點。多旋翼飛行器不僅能夠完成飛行任務，而且可以完成航拍任務。一般的航拍系統(tǒng)模塊主要是采用傳統(tǒng)的模擬無線圖傳模塊，或者是近些年興起的WiFi模塊。然而模擬無線圖傳模塊不易數字化處理，WiFi網絡可控距離短，以上方案只適合在對實時性和可靠性要求不高的某些領域內應用。隨著3G網絡覆蓋越來越廣、4G網絡開始運營，使得3G/4G視頻傳輸系統(tǒng)在多旋翼飛行器上的應用成為可能。1 多旋翼飛行器多旋翼飛行器的“多旋翼”是指飛行器支架由多個旋翼組成，比較常見的有四旋翼和六旋翼飛行器。多旋翼飛行器構造簡單，支架一般為合金材料，質量小，飛行時由于動力學原理，具有較好的穩(wěn)定性，所用能源為環(huán)保高能電池，飛行噪聲小，能夠垂直起降、穩(wěn)定飛行在狹小區(qū)域內，并不受場地限制。正因為構造簡單，硬件組裝和調試也更加簡易，初學門檻低，使得近些年來在航模和航拍領域流行起來。本方案采用的四軸飛行器又稱四旋翼飛行器，是多旋翼飛行器中構造比較簡單的。四個螺旋槳呈十字形交叉，對角旋翼轉向相同，利用兩組螺旋槳為飛行器提供動力。飛行器主控實時檢測飛行器飛行姿態(tài)，利用PID調節(jié)算法和卡爾曼濾波算法調節(jié)四個電機轉速來改變旋翼轉速，從而使飛行器達到平穩(wěn)飛行的狀態(tài)。因為陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消，所以四旋翼能夠很好地平衡旋翼對機身的反扭矩，非常適合靜態(tài)和準靜態(tài)條件下飛行。本系統(tǒng)飛行器主控采用STM32系列芯片，通過對外接的多種傳感器檢測，實時調整飛行器姿態(tài)，同時采用基于3G/4G網絡的3G/4G通信模塊進行視頻傳輸。2 3G/4G視頻通話原理3G、4G都是指移動通信技術。區(qū)別于傳統(tǒng)的2G，3G采用了支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，3G的視頻通話是基于3G324M協議進行的，該協議是一個無地址協議。3G324M指定了H.263作為強制基本標準，而把MPEG4作為視頻編碼推薦標準，AMR作為音頻編碼強制標準。[1]3G的理論傳輸速率高達幾百kbps，它的高速處理能力在圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式得到了體現。目前，3G用戶數量急速增長，人們利用3G網絡進行瀏覽網頁、視頻通話、電子商務等信息服務。3G技術成熟的同時，3G網絡的建設也更加完善。目前，4G網絡開始運營，而且4G網絡具有更為強大的數據傳輸能力，其理論下載速率高達100 Mbps。在多旋翼飛行器的視頻傳輸系統(tǒng)中，4G網絡可以支持更高帶寬的實時數字視頻傳輸。3 系統(tǒng)組成本方案系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。在多旋翼飛行器上，主要包含STM32微控制器構成的飛行器主控板、飛行器外圍傳感器模塊、攝像頭、云臺、3G/4G模塊，地面端是智能手機控制平臺。飛行器主控采用STM32芯片主控制器。STM32系列芯片是基于ARM CortexM3內核的一種專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計的。本方案采用的是STM32增強型系列芯片，它所要處理的信息包括陀螺儀、角速率傳感器姿態(tài)數據、電調控制輸出、遙控器控制輸入及攝像頭云臺舵機控制輸出。以STM32為核心的飛行器主控主要實現三方面的功能：①實時采集飛行器各類傳感器的數據，經過卡爾曼濾波處理后得到相應的飛行姿態(tài)，并通過PID調節(jié)算法實時監(jiān)控和調整飛行器的飛行姿態(tài)使之平穩(wěn)飛行。②通過與SIM5215E模塊的串口連接實現對模塊的控制，包括啟動和停止等操作。③通過地面手機端接收畫面來調整搭載攝像頭的云臺，以調整航拍角度。攝像頭視頻信號通過固定在飛行器上的AK8856視頻編碼器編碼后，將模擬視頻信號轉換成數字視頻信號，數字視頻信號通過SIM5215E模塊，直接發(fā)送至手機接收端。[2]外圍傳感器模塊主要包括陀螺儀、角速率傳感器、無刷電調、電機、GPS、遙控接收器、電池、攝像頭云臺、舵機等。飛行器飛行姿態(tài)數據主要來源于陀螺儀二號角速率傳感器，電池、無刷電調以及電機為飛行器提供動力；GPS支持飛行器定點返航，無需手動參與；攝像頭云臺和舵機為支持視頻拍攝提供了角度切換的人性化操作。航拍攝像頭對鏡頭成像要求很高，一個航拍視頻的效果很大部分取決于所用的攝像頭質量。普通的攝像頭不僅太笨重，而且不適合航拍。本方案的攝像頭采用了可光學變焦的攝像頭，機芯為SONY EFFIO方案700線機芯，D1畫質，效果遠超普通航模攝像頭。該攝像頭控制方式簡單，只需要連接收機控制，比例控制調焦，變焦精準快速，從1倍到10倍只需3 s高速對焦與遙控手動對焦間自由切換。攝像頭開啟逆光補償，鏡片采用雙濾鏡鏡頭，日夜自動切換濾光片。光線充足時，使用不感紅外鏡頭，確保延時純正；光線不足時，自動切換感紅外鏡頭，保證夜視能力。本方案采用的3G模塊為SIM5215E。該模塊支持雙頻、四頻切換，兼容GPRS，功率只有0.25 W，遠小于傳統(tǒng)的無線圖傳模塊，工作電壓3.3～4.2 V，質量僅有7 g，板載數碼攝像接口，可直接與攝像頭連接，并且支持MicroSD卡擴展。在視頻傳輸之前，必須首先設置好傳輸視頻制式。視頻編碼器采用的是AK8856芯片。該解碼器支持將NTSC或PAL制式的復合視頻信號轉換為ITUR BT.601電平兼容的Y、Cb、Cr信號后，以601、VGA、CIF、QCIF和QVGA等格式輸出。支持字幕、VBID和WSS在視頻信號解碼中從外部讀出。3G/4G視頻傳輸模塊功能實現如圖2所示，視頻編碼器AK8856接收攝像頭數據，通過3G/4G模塊進行視頻傳輸。該編碼器能夠直接將攝像頭的模擬視頻信號進行處理，得到3G/4G模塊識別的數字信號，而這也是普通的無線圖傳模塊無法實現的。4 手機接收端應用軟件實現本方案使用智能手機作為地面視頻接收和遙控的設備。手機接收端軟件是基于Android系統(tǒng)上的應用，主要實現的是視頻通話和遙控功能。Android是Google公司發(fā)布的基于Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)名稱，也是目前最受歡迎的智能手機操作系統(tǒng)之一。手機接收端軟件實現總體框圖如圖3所示。手機接收端軟件提供了人性化的界面，支持各種操作，如局部放大、拍照保存等。軟件內部包含面向3G模塊驅動、應用層等接口，能夠與3G模塊直接進行底層通信。手機自帶硬件視頻編碼和解碼器，能夠將智能手機內部的3G模塊接收到的視頻數據轉換成圖像在屏幕上顯示。手機接收端軟件功能流程如圖4所示。[3]結語經過測試，本方案在保證飛行器的飛行穩(wěn)定性的基礎上，可以實現視頻傳輸的實時性和可控性。本方案還可以根據需要，為軟件增加一些新功能，例如增加飛行器的坐標定位功能，通過智能手機設定自動航行路線。由于4G網絡較3G網絡具有更大的數據傳輸帶寬，圖4手機接收端實現流程圖如果用4G模塊替換本方案中SIM5215E3G模塊進行視頻傳輸，手機端將會接收到更為清晰的視頻。(mbbeetchina)