無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：無人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺(tái)而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。為了滿足科學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調(diào)無人機(jī)電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴(kuò)展多路串口及USB接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，同時(shí)設(shè)計(jì)了相機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及三自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過無人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實(shí)驗(yàn)要求。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感；AT89S52；姿態(tài)控制

0 引言
    無人機(jī)技術(shù)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要西方國(guó)家都將其當(dāng)作未來空軍最具優(yōu)勢(shì)和前景的發(fā)展方向。近年來，無人機(jī)的應(yīng)用范圍已經(jīng)由最初的軍事領(lǐng)域拓展至民用領(lǐng)域和科研領(lǐng)域。我國(guó)無人機(jī)工業(yè)起步雖晚，但發(fā)展迅速．已步入世界前列?，F(xiàn)代社會(huì)中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的重要手段。隨著信息科學(xué)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的需求急劇增長(zhǎng)，然而對(duì)于許多發(fā)展中和不發(fā)達(dá)國(guó)家而言發(fā)展耗資巨大的航天遙感系統(tǒng)目前存在技術(shù)上和資金上的困難。將無人機(jī)作為航空攝影和對(duì)地觀測(cè)的遙感平臺(tái)為解決這種困難提供了一種新的技術(shù)途徑，為遙感應(yīng)用注入了新鮮血液。
    無人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺(tái)而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的無人機(jī)并不是為遙感目的而設(shè)計(jì)的，同樣，許多遙感設(shè)備也不是專門為無人機(jī)設(shè)計(jì)的，其結(jié)果是導(dǎo)致了他們之間的集成困難，為了滿足遙感科學(xué)實(shí)驗(yàn)、定標(biāo)遙感與真實(shí)性檢驗(yàn)、遙感傳感器試驗(yàn)等遙感實(shí)驗(yàn)巨大需求，無人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)很好的解決方案。無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)無人機(jī)航空遙感平臺(tái)中電子吊艙的多組件的工作，實(shí)時(shí)對(duì)遙感影像傳感器進(jìn)行姿態(tài)控制，對(duì)于獲得良好有效的遙感數(shù)據(jù)起到至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足無人機(jī)航空遙感作業(yè)需求。該系統(tǒng)控制無人機(jī)按照預(yù)定的作業(yè)計(jì)劃任務(wù)或者接受人工遙控執(zhí)行遙感作業(yè)，協(xié)調(diào)電子吊艙中多組件的工作，與數(shù)傳電臺(tái)、自動(dòng)駕駛儀、穩(wěn)定云臺(tái)、航姿系統(tǒng)以及CCD／相機(jī)相連。
    系統(tǒng)功能包括：
    (1)接收數(shù)傳電臺(tái)命令，將命令分流到穩(wěn)定云臺(tái)和CCD／相機(jī)；
    (2)接收航姿系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、俯仰、滾動(dòng)、航向等參數(shù)，將其存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中并由數(shù)傳電臺(tái)回傳至地面飛行控制站；
    (3)根據(jù)航姿系統(tǒng)參數(shù)生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定云臺(tái)，保持穩(wěn)定云臺(tái)處于穩(wěn)定水平(或垂直)狀態(tài)；
    (4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)作業(yè)任務(wù)及航姿系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀的相關(guān)參數(shù)，并能夠通過USB接口導(dǎo)入地面飛行控制站。
    無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1虛線內(nèi)部分所示，系統(tǒng)由MCU(微控制器)、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RAM擴(kuò)展、4路串口擴(kuò)展、1路USB擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)及電源共8個(gè)子模塊組成。MCU是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)與其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4路串口擴(kuò)展、1路USB擴(kuò)展及RAM擴(kuò)展模塊間的通信，并根據(jù)作業(yè)計(jì)劃產(chǎn)生CCD／相機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。電源模塊負(fù)責(zé)給
各子模塊供電。核心器件選用美國(guó)ATMEL公司開發(fā)的一款采用CMOS工藝低功耗、高性能的8位微處理器AT89S52。該芯片片內(nèi)集成8 KB ISP(In System Programmable)可重復(fù)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(tǒng)。從而不需要額外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，同時(shí)也能快速的處理數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 4路串口擴(kuò)展電路
    4路串口擴(kuò)展電路由TL16C554A芯片實(shí)現(xiàn)。TL16C554A是一個(gè)整合4個(gè)通道即TL16C550C的增強(qiáng)型異步通信組件(ACE)。它的每個(gè)通道能從外圍設(shè)備或MODEM接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串--并轉(zhuǎn)換；同時(shí)，它也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并--串轉(zhuǎn)換。CPU可以在工作時(shí)隨時(shí)查詢每一個(gè)通道的完整狀態(tài)，監(jiān)視各種命令的執(zhí)行及任何發(fā)生的錯(cuò)誤。
    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(nèi)部FIFO以使16個(gè)字節(jié)(加上接收FIFO中每個(gè)字節(jié)的3位誤差數(shù)據(jù))可以同時(shí)存儲(chǔ)在接收與發(fā)送模式中。FIFO工作模式具有自動(dòng)流控特點(diǎn)，可以極大地降低軟件開銷，并且可以通過輸出信號(hào)和輸入信號(hào)自動(dòng)控制串行數(shù)據(jù)流來提高系統(tǒng)效率。所有邏輯均在片內(nèi)以便使系統(tǒng)開銷最小，使系統(tǒng)效率最高。這2個(gè)引腳端還用于對(duì)直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)傳送信號(hào)。每個(gè)異步通信組件都含有一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，可以將定時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入除以1到216-1之間的任意數(shù)。
    串口擴(kuò)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(jīng)譯碼器譯碼后可獲得8路選擇地址，其中74LS138輸出分別與TL16C554A的CSA，CSB，CSC，CSD相連，是各路串口的選通信號(hào)輸入端。AT89S52的P0口與TL16C554A的D0～D7相連作為數(shù)據(jù)總線。P3．6和P3．7即圖2中分別控制TL16C554A的讀寫作為控制總線。單片機(jī)P0口經(jīng)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，配合可形成地址總行，從而完成單片機(jī)對(duì)TL16C554A芯片的編程及數(shù)據(jù)的讀寫。

    TL16C554A的4路串行數(shù)據(jù)中斷信號(hào)接至輸入或非門輸入端，或非門輸出端接入單片機(jī)外部中斷0輸入端，入圖2中／INT0。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)輸入時(shí)TL16C554A能夠產(chǎn)生中斷信號(hào)輸出以通知單片機(jī)外部數(shù)據(jù)輸入而進(jìn)行中斷處理。為區(qū)分產(chǎn)生中斷時(shí)具體是哪一路中斷，將TL16C554的INTA-INTD分別與單片機(jī)的P1．0～P1．3相連，在讀取串口的中斷數(shù)據(jù)前先讀取P1．0～P1．3的狀態(tài)以明確數(shù)據(jù)的輸入源。
2．2 USB接口擴(kuò)展電路
    USB口擴(kuò)展由CH375芯片實(shí)現(xiàn)。CH375是南京沁恒有限公司生產(chǎn)的USB總線的通用接口芯片。它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高。支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE／SLAVE設(shè)備方式。CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)需要編寫固件程序按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。但是對(duì)于常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備，CH375的內(nèi)置固件可以自動(dòng)處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議，通常情況下，外部單片機(jī)不需要編寫固件程序．就可以直接讀寫USB存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)。CH375和單片機(jī)的通信有2種方式：并行方式和串行方式。USB擴(kuò)展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設(shè)置為內(nèi)置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機(jī)P0口與CH375的D0～D7相連作為數(shù)據(jù)總線，譯碼器輸出與CH375的相連片選該芯片，單片機(jī)A0與CH375的A0相連，可選擇CH375的地址或是數(shù)據(jù)輸入與輸出。當(dāng)A0為高電平是D0～D7的傳輸?shù)氖堑刂?，低電平時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。P3．6和P3．7分別控制CH375的讀寫操作。CH375的接單片機(jī)的輸入端，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過USB口輸入時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)CH375芯片初始化后并成功與主機(jī)連通之后，指示燈亮。

2．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    穩(wěn)定云臺(tái)控制即為三自由度步進(jìn)電機(jī)控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩(wěn)定云臺(tái)保持水平(或垂直)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由THB6128芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)只需輸出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向和脈沖信號(hào)即可達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。
    THB6128是高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，通過單片機(jī)輸出控制信號(hào)，即可設(shè)計(jì)出高性能、多細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路。其特點(diǎn)為雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，低導(dǎo)通電阻Ron=0．55 Ω，最高耐壓36 V，大電流2．2 A(峰值)，多種細(xì)分可選，最高可達(dá)128細(xì)分，具有自動(dòng)半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)。圖4為航向角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，俯仰角、橫滾角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與之相同。圖中CP1與U／D分別為單片機(jī)給出的驅(qū)動(dòng)脈沖與電機(jī)運(yùn)行方向控制信號(hào)。M1，M2，M3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)選擇信號(hào)輸入，由撥碼開關(guān)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(dāng)3．5 V<FDT1<5 V時(shí)為慢衰減模式；當(dāng)1．1 V<FDT1<3．1 V時(shí)為混合衰減模式；當(dāng)FDT1<0．8 V時(shí)為快衰減模式。調(diào)整VREG1端電壓即可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流值。電流值：
    Iout=(VREF／5)×(1／Rs)
    式中Rs為NFA(B)外接檢測(cè)電阻。本系統(tǒng)中Rs固定為0．25 Ω，F(xiàn)DT1與VREF1均可調(diào)。

2．4 CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221和光耦合器P521實(shí)現(xiàn)。74LS221既可以下降沿觸發(fā)也可上升沿觸發(fā)，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過內(nèi)部補(bǔ)償獲得而不受外部電壓和穩(wěn)定影響，在大多數(shù)應(yīng)用中，脈寬只由外接的時(shí)控元件決定。脈寬tw(out)：
    tw(out)=CextRextln 2≈0．7CextRext
    CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。圖示參數(shù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平持續(xù)時(shí)間約為33 ms，可根據(jù)相機(jī)的實(shí)際曝光時(shí)間的需要，改變電路的充電時(shí)間常數(shù)RC來調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短。圖中Camera為單片機(jī)P3．5口，當(dāng)其為下降沿時(shí)，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(fā)三極管端導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)相機(jī)快門。P521的輸出端串接一個(gè)10kΩ的電阻，防止導(dǎo)通時(shí)電流過大而損壞相機(jī)。

2．5 其他模塊電路
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由AT24C512實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)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(kuò)展64 KB E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。SRAM擴(kuò)展由IDT6116SA芯片實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展2 KB用于緩存單片機(jī)計(jì)算過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩(wěn)壓器串接，降低單片穩(wěn)壓器兩端的壓降，獲得平穩(wěn)的+5 V電壓。|

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

    系統(tǒng)上電后進(jìn)行系統(tǒng)及各器件初始化，包括單片機(jī)內(nèi)部地址及數(shù)據(jù)初始化、TL16C554A芯片波特率及FIFO模式設(shè)定及CH375工作模式的設(shè)定。初始化后檢查系統(tǒng)外圍器件的工作狀態(tài)，將其狀態(tài)信息發(fā)送至地面站，系統(tǒng)通過自動(dòng)駕駛儀不斷獲取當(dāng)前的位置信息，判斷是否到達(dá)作業(yè)任務(wù)起始點(diǎn)，若到達(dá)則根據(jù)預(yù)設(shè)的拍攝方式進(jìn)行拍攝控制，拍攝方式包含等時(shí)間間隔拍攝和等距離拍攝。系統(tǒng)從航姿系統(tǒng)中獲取當(dāng)前相機(jī)的姿態(tài)參數(shù)，然后將當(dāng)前照片信息數(shù)據(jù)打包通過數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送至地面監(jiān)控站，然后系統(tǒng)根據(jù)姿態(tài)參數(shù)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖數(shù)及方向，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)整相機(jī)姿態(tài)。當(dāng)無人機(jī)到達(dá)作業(yè)任務(wù)結(jié)束點(diǎn)后，主程序結(jié)束。系統(tǒng)允許地面遙控操作。

4 結(jié)語
    通過實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)可以較好的滿足無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制的要求，可以協(xié)調(diào)電子吊艙的各個(gè)組件工作，控制相機(jī)的姿態(tài)，實(shí)時(shí)下傳機(jī)載作業(yè)數(shù)據(jù)，使用的I／O口較少，USB接口的擴(kuò)展解決了當(dāng)前許多筆記本電腦不具備COM口的問題，在野外實(shí)驗(yàn)時(shí)亦可及時(shí)的處理作業(yè)系統(tǒng)中的照片信息數(shù)據(jù)。單片機(jī)仍還有較多的資源可以利用，可方便系統(tǒng)的升級(jí)，但同時(shí)也受到微處理器數(shù)據(jù)處理能力的限制。