無人機航空遙感平臺機載作業控制系統設計

摘要：無人機相比較衛星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點。為了滿足科學遙感實驗、完成遙感作業任務、協調無人機電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態，系統以AT89S52為主控芯片，擴展多路串口及USB接口以實現系統與外圍設備的通信，同時設計了相機驅動模塊及三自由度步進電機驅動模塊。通過無人機航空遙感實驗證明該系統能夠滿足遙感實驗要求。

關鍵詞：無人機； 遙感； AT89S52； 姿態控制

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04013204

Design of airborne operating control system on UAV aerial remote sensing platform

YU Guolin1， CHEN Jiping2， YU Tao2， ZHANG Ying1， CHEN Xingfeng2， NING Kaifang1

(1.Beihang University， Beijing， 100191， China; 2.Insitute of Remote Sensing Application Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100101， China)

Abstract： The remote sensing platform of UAV(Unmanned aerial vehicle) features lower cost and higher flexibility than those of satellite and manned aerial aircraft. In order to meet the requirements of remote sensing experiments， accomplish remote sensing task， cohere with the operation of multicomponents in UAV electronic pod， and control the attitude of the remote sensing image sensors， AT89S52 is adopted as a main control chip in the control system. Multiserial ports and USB interfaces are designed to realize the communication between the control system and the peripheral equipments， meanwhile the camera drive module and three degrees of freedom stepping motor drive module are designed. The results of UAV aerial experiments prove that the control system can meet the requirements of the remote sensing experiments.

Keywords： unmanned aerial vehicle; remote sensing; micro control unit; attitude control

收稿日期：20110915

基金項目：國家自然科學基金資助項目（40971227）；科技部國際科技合作計劃資助（2010DFA21880）；歐盟第七框架項目:Integrated goe-spatial information technology and its application to resource and environmental management towards the GEOSS0引言

無人機技術作為人類早期航空的重要組成部分，已有一百多年的歷史，在軍事領域得到了廣泛的應用，主要西方國家都將其當作未來空軍最具優勢和前景的發展方向［1］。近年來，無人機的應用范圍已經由最初的軍事領域拓展至民用領域和科研領域［2］。我國無人機工業起步雖晚，但發展迅速，已步入世界前列［3］。現代社會中，遙感技術已成為人類獲取地理環境及其變化信息的重要手段。隨著信息科學與相關產業的發展，各國對遙感數據的需求急劇增長，然而對于許多發展中和不發達國家而言發展耗資巨大的航天遙感系統目前存在技術上和資金上的困難。將無人機作為航空攝影和對地觀測的遙感平臺為解決這種困難提供了一種新的技術途徑，為遙感應用注入了新鮮血液［4］。

無人機相比較衛星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點。然而，傳統的無人機并不是為遙感目的而設計的，同樣，許多遙感設備也不是專門為無人機設計的，其結果是導致了他們之間的集成困難［5］，為了滿足遙感科學實驗、定標遙感與真實性檢驗、遙感傳感器試驗等遙感實驗巨大需求，無人機航空遙感實驗平臺是一個很好的解決方案。無人機航空遙感平臺機載作業控制系統能夠協調無人機航空遙感平臺中電子吊艙的多組件的工作，實時對遙感影像傳感器進行姿態控制，對于獲得良好有效的遙感數據起到至關重要的作用。

1系統功能及結構

系統的目標是滿足無人機航空遙感作業需求。該系統控制無人機按照預定的作業計劃任務或者接受人工遙控執行遙感作業，協調電子吊艙中多組件的工作，與數傳電臺、自動駕駛儀、穩定云臺、航姿系統以及CCD/相機相連。

系統功能包括：

（1） 接收數傳電臺命令，將命令分流到穩定云臺和CCD/相機；

（2） 接收航姿系統和自動駕駛儀的時間、經度、緯度、高度、俯仰、滾動、航向等參數，將其存儲在控制系統中并由數傳電臺回傳至地面飛行控制站；

（3） 根據航姿系統參數生成電機驅動參數，驅動穩定云臺，保持穩定云臺處于穩定水平（或垂直）狀態；

（4） 數據存儲，存儲作業任務及航姿系統和自動駕駛儀的相關參數，并能夠通過USB接口導入地面飛行控制站。

無人機航空遙感平臺機載作業控制系統原理框圖如圖1虛線內部分所示，系統由MCU（微控制器）、電源、數據存儲器、RAM擴展、4路串口擴展、1路USB擴展、步進電機驅動、CCD/相機驅動及電源共8個子模塊組成。MCU是整個系統的核心部分，負責與其數據存儲器、4路串口擴展、1路USB擴展及RAM擴展模塊間的通信，并根據作業計劃產生CCD/相機和步進電機的控制信號，控制相應的驅動模塊。電源模塊負責給各子模塊供電。核心器件選用美國ATMEL公司開發的一款采用CMOS工藝低功耗、高性能的8位微處理器AT89S52［6］。該芯片片內集成8 KB ISP（In System Programmable）可重復擦寫高密度非易失性Flash。全面兼容Intel 80C51的輸出引腳及指令系統。從而不需要額外擴展程序存儲器，同時也能快速的處理數據處理任務。

圖1系統原理框圖2系統硬件實現

2.14路串口擴展電路

4路串口擴展電路由TL16C554A芯片實現。TL16C554A是一個整合4個通道即TL16C550C的增強型異步通信組件（ACE）。它的每個通道能從外圍設備或MODEM接收數據，實現串-并轉換；同時，它也可以從CPU端接收數據，實現并-串轉換。CPU可以在工作時隨時查詢每一個通道的完整狀態，監視各種命令的執行及任何發生的錯誤［7］。

TL16C554A四通道異步通信組件可以置于交替于交替FIFO模式，該模式激活內部FIFO以使16個字節(加上接收FIFO中每個字節的3位誤差數據)可以同時存儲在接收與發送模式中。FIFO工作模式具有自動流控特點，可以極大地降低軟件開銷，并且可以通過RTS輸出信號和CTS輸入信號自動控制串行數據流來提高系統效率。所有邏輯均在片內以便使系統開銷最小，使系統效率最高。這2個引腳端還用于對直接存儲器訪問(DMA)傳送信號。每個異步通信組件都含有一個可編程的波特率發生器，可以將定時基準時鐘輸入除以1到216-1之間的任意數。

串口擴展電路原理圖如圖2所示，主控芯片AT89S52的高3位地址A15，A14，A13經譯碼器譯碼后可獲得8路選擇地址，其中74LS138輸出Y0，Y1，Y2，Y3分別與TL16C554A的CSA，CSB，CSC，CSD相連，是各路串口的選通信號輸入端。AT89S52的P0口與TL16C554A的D0~D7相連作為數據總線。P3.6和P3.7即圖2中RD，WR分別控制TL16C554A的讀寫作為控制總線。單片機P0口經74HC573鎖存器后可獲得低8位地址A0~A7，將其中A0~A2與TL16C554A的A0~A2引腳相連，配合Y0，Y1，Y2，Y3可形成地址總行，從而完成單片機對TL16C554A芯片的編程及數據的讀寫。

圖2串口擴展電路原理圖TL16C554A的4路串行數據中斷信號接至輸入或非門輸入端，或非門輸出端接入單片機外部中斷0輸入端，入圖2中/INT0。當串口有數據輸入時TL16C554A能夠產生中斷信號輸出以通知單片機外部數據輸入而進行中斷處理。為區分產生中斷時具體是哪一路中斷，將TL16C554的INTAINTD分別與單片機的P1.0~P1.3相連，在讀取串口的中斷數據前先讀取P1.0~P1.3的狀態以明確數據的輸入源。

2.2USB接口擴展電路

USB口擴展由CH375芯片實現。CH375是南京沁恒有限公司生產的USB總線的通用接口芯片。它的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高。支持USBHOST主機方式和USBDEVICE/SLAVE設備方式。CH375的USB主機方式支持常用的USB全速設備，外部單片機需要編寫固件程序按照相應的USB協議與USB設備通信。但是對于常用的USB存儲設備，CH375的內置固件可以自動處理MassStorage海量存儲設備的專用通信協議，通常情況下，外部單片機不需要編寫固件程序，就可以直接讀寫USB存儲設備中的數據。CH375和單片機的通信有2種方式：并行方式和串行方式［89］。USB擴展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設置為內置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機P0口與CH375的D0~D7相連作為數據總線，譯碼器輸出Y4與CH375的CS相連片選該芯片，單片機A0與CH375的A0相連，可選擇CH375的地址或是數據輸入與輸出。當A0為高電平是D0~D7的傳輸的是地址，低電平時傳輸的是數據。P3.6和P3.7分別控制CH375的讀寫操作。CH375的INT接單片機的INT1輸入端，當有數據通過USB口輸入時產生中斷信號，通知單片機進行數據處理。當CH375芯片初始化后并成功與主機連通之后，指示燈亮。

圖3USB擴展原理圖2.3步進電機驅動電路

穩定云臺控制即為三自由度步進電機控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩定云臺保持水平（或垂直）狀態。步進電機驅動由THB6128芯片實現，單片機只需輸出步進電機運行方向和脈沖信號即可達到控制步進電機的目的。

THB6128是高細分兩相混合式步進電機驅動專用芯片，通過單片機輸出控制信號，即可設計出高性能、多細分的驅動電路［10］。其特點為雙全橋MOSFET驅動，低導通電阻Ron=0.55 Ω，最高耐壓36 V，大電流2.2 A（峰值），多種細分可選，最高可達128細分，具有自動半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內置溫度保護及過流保護。圖4為航向角步進電機驅動電路，俯仰角、橫滾角步進電機驅動與之相同。圖中CP1與U/D分別為單片機給出的驅動脈沖與電機運行方向控制信號。M1，M2，M3為電機驅動細分數選擇信號輸入，由撥碼開關人為控制。FDT1與VREG1分別為衰減模式選擇電壓與電流控制電壓輸入端。當3.5 V

圖4航向角步進電機驅動電路2.4CCD/相機驅動電路

CCD/相機驅動由單穩態觸發器74LS221和光耦合器P521實現。74LS221既可以下降沿觸發也可上升沿觸發，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過內部補償獲得而不受外部電壓和穩定影響，在大多數應用中，脈寬只由外接的時控元件決定。脈寬tw(out)：tw(out)=CextRextln 2≈0.7CextRextCCD/相機驅動電路如圖5所示。圖示參數的單穩態觸發器高電平持續時間約為33 ms，可根據相機的實際曝光時間的需要，改變電路的充電時間常數RC來調節穩態時間的長短。圖中Camera為單片機P3.5口，當其為下降沿時，觸發單穩態觸發器輸出高電平，此高電平作用于光耦合器P521的二極管端，從而觸發三極管端導通，進而觸發相機快門。P521的輸出端串接一個10 kΩ的電阻，防止導通時電流過大而損壞相機。

圖5CCD/相機驅動電路2.5其他模塊電路

數據存儲模塊由AT24C512實現，單片機P3.0，P3.1口分別與AT24C512的SCL、SDL端口相連，并接入上拉電阻，模擬I2C總線擴展64 KB E2PROM數據存儲器。SRAM擴展由IDT6116SA芯片實現，擴展2 KB用于緩存單片機計算過程中的臨時數據。系統輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩壓器串接，降低單片穩壓器兩端的壓降，獲得平穩的+5 V電壓。

3系統軟件設計

系統主程序流程圖如圖6所示。

圖6系統主程序流程圖系統上電后進行系統及各器件初始化，包括單片機內部地址及數據初始化、TL16C554A芯片波特率及FIFO模式設定及CH375工作模式的設定。初始化后檢查系統外圍器件的工作狀態，將其狀態信息發送至地面站。系統通過自動駕駛儀不斷獲取當前的位置信息，判斷是否到達作業任務起始點，若到達則根據預設的拍攝方式進行拍攝控制，拍攝方式包含等時間間隔拍攝和等距離拍攝。系統從航姿系統中獲取當前相機的姿態參數，然后將當前照片信息數據打包通過數傳電臺發送至地面監控站，然后系統根據姿態參數計算出步進電機運行的脈沖數及方向，控制步進電機驅動模塊調整相機姿態。當無人機到達作業任務結束點后，主程序結束。系統允許地面遙控操作。

4結語

通過實驗證明本系統可以較好的滿足無人機航空遙感平臺機載作業控制的要求，可以協調電子吊艙的各個組件工作，控制相機的姿態，實時下傳機載作業數據，使用的I/O口較少，USB接口的擴展解決了當前許多筆記本電腦不具備COM口的問題，在野外實驗時亦可及時的處理作業系統中的照片信息數據。單片機仍還有較多的資源可以利用，可方便系統的升級，但同時也受到微處理器數據處理能力的限制。

參考文獻

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