摘 要：小型無人機是低成本的新型遙感平臺，要求裝載的遙感儀器體積小、重量輕、抗震性好。PC/104+嵌入式計算機較好的滿足了此要求，并具備開發(fā)周期短的優(yōu)勢。研制成功無人機載小型多光譜成像儀（國內(nèi)首臺基于PC/104+嵌入式計算機的航空遙感儀器）和無人機載大面陣CCD相機系統(tǒng)。PC/104+嵌入式計算機在兩臺儀器中完成了曝光控制、圖像采集、傳輸、存儲、GPS解碼計算、執(zhí)行遠程指令、狀態(tài)報告等功能。 關(guān)鍵詞：無人駕駛飛機 航空遙感 嵌入式計算機 PC/104+ 　 1 新型遙感平臺——小型無人機 　　小型無人駕駛飛機是近年來發(fā)展迅速的新型遙感平臺。它的體積小、重量輕，制造成本低;一輛卡車就可以裝載、以地面操作員代替空中飛行員，運營維護費用、人力成本遠低于有人駕駛飛機。其低廉的費用使得許多中小型用戶也有能力支付，擴大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群，具有廣闊的應(yīng)用前景。無人機的其它優(yōu)點有：能夠低速、低空飛行，有利于遙感作業(yè);機動靈活;升空準(zhǔn)備時間短等。其缺點是對載荷的體積重量有嚴格限制，對載荷的抗震性能也有較高要求。 　　下表列出了幾種典型的用于遙感的小型無人機[sup][1][2][3][4][/sup]。 [align=center] 表1 幾種用于遙感的小型無人機[/align] 　　小型無人機可裝載的遙感儀器種類繁多，有電視攝像機、數(shù)碼相機、紅外傳感器、合成孔徑雷達、超光譜掃描儀、多光譜成像儀等[sup][5][/sup]。 2 嵌入式計算機PC/104+在無人機載小型多光譜成像儀中的應(yīng)用 　　2.1 課題背景 　　為了發(fā)展我國的無人機遙感技術(shù)，國家863計劃制訂了“無人機海洋遙感監(jiān)測技術(shù)”課題，研制一套無人機海洋遙感監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)中的無人機平臺即表1中青島天驕公司生產(chǎn)的SE-1型小型無人機。系統(tǒng)中的遙感設(shè)備——無人機載小型多光譜成像儀，由上海技術(shù)物理研究所研制。 　　2.2主控計算機的選擇 　　無人機載小型多光譜成像儀包括光學(xué)頭部和主控計算機兩個組成部分。 　　光學(xué)頭部由3臺光軸平行的索尼XC-ST70CE黑白CCD視頻攝像頭組成，采用畫幅式的成像方式同步獲取三個波段圖像。鏡頭前方安裝有可根據(jù)任務(wù)需要更換的10納米窄帶帶通干涉濾光片，通過濾光片的不同組合實現(xiàn)對海洋的溢油、赤潮、海冰等現(xiàn)象的監(jiān)測。 　　主控計算機用于實現(xiàn)對光學(xué)頭部的控制，并將光學(xué)頭部獲取的遙感圖像采集存儲起來。一般有兩種構(gòu)成方式： 　　一是基于單片機或單板機，其體積很小，功能簡單。此類儀器有：美國NASA與Clark University合作研制的采用DuncanTech MS3100的多光譜成像儀，主控計算機采用工業(yè)級單板機[sup][6][/sup];中國測繪科學(xué)研究院研制的UAVRS-II低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)，主控計算機采用89C52單片機[sup][7][/sup]。 　　二是基于商用PC機，體積較大，功能強，帶有采集卡，能夠控制多路攝像頭并完成A/D轉(zhuǎn)換、采集、存儲等功能。此類儀器有：美國Flight Landata公司的CAMIS采用半高度的立式臺式機[sup][8][/sup];美國農(nóng)業(yè)部True Digital Imaging System采用Gateway 2000 PC機[sup][9][/sup];中科院遙感應(yīng)用研究所的航空多光譜數(shù)字相機系統(tǒng)采用PIII-866工控機[sup][10][/sup]。 　　本課題使用的SE-1型無人機平臺要求有效載荷體積小于350mm×250mm×240mm，商用臺式機、工控機體積過大無法裝入。如果采用單片機或單板機，則實現(xiàn)視頻獲取、采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲等復(fù)雜功能帶來很大的工作量，實現(xiàn)比較困難。 　　經(jīng)比選，我們采用了PC/104+嵌入式計算機。它既具備PC機的通用性、可擴展性，又滿足了無人機平臺對體積、重量和抗震性的要求。在我們的多光譜成像儀研制過程中，2003年8月，我們讀到了美國NASA設(shè)計制造的用于農(nóng)業(yè)遙感的多光譜成像儀也采用了PC/104+嵌入式計算機的報道[sup][11][/sup]。 　　2.3 PC/104+總線簡介 　　PC/104+將PCI總線集成在PC/104結(jié)構(gòu)中，是一種優(yōu)化的、小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。PC/104+為單列三排120個總線管腳，有效信號線和控制線和PCI總線兼容。其電氣和機械規(guī)范特點如下[sup][12][13][/sup]： 　　1）小尺寸結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)模塊的機械尺寸為96毫米×90毫米; 　　2）堆棧式，針、孔總線連接，即PC/104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔互咬相連，抗震性好; 　　3） 4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，功耗低; 　　4）自我堆棧式連接，不需要母板。 　　2.4 成像儀主控計算機的構(gòu)成 　　成像儀嵌入式主控計算機由主板、采集卡、電子硬盤、GPS接收器構(gòu)成。 　　主板采用了臺灣廣積科技公司生產(chǎn)的IB104+。主板是嵌入式計算機的主體，集成了一臺計算機的大部分組件，包括CPU及芯片組、內(nèi)存插槽、顯示芯片、10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口、鍵盤鼠標(biāo)PS/2接口、IDE硬盤接口、USB1.1接口等。內(nèi)存最大支持256MB SDRAM，目前安裝了128MB。集成的CPU是全美達公司生產(chǎn)的Crusoe TM5400，主頻533MHz，功耗低、發(fā)熱量小，不需要安裝散熱風(fēng)扇[sup][14][/sup]。 　　視頻采集卡是成像儀主控計算機的關(guān)鍵部件，采用了加拿大邁創(chuàng)（Matrox）公司生產(chǎn)的Meteor-II/Multi-Channel。該采集卡采用8bit A/D，支持33MHz PCI總線突發(fā)主控DMA傳輸，突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率可達到132MB/秒;采樣頻率可達30MHz;信噪比47dB。支持對3路同步的RS-170或CCIR視頻信號進行并行采集。采集卡支持實時的視頻流至計算機內(nèi)存的和顯存的傳輸，為提高突發(fā)傳輸性能，板載有4MB SGRAM緩存[sup][15][/sup]。 　　硬盤采用SUNDOM公司生產(chǎn)的使用NAND Flash存儲芯片的工業(yè)級電子硬盤，容量為4GB。 　　我們?yōu)槌上駜x配置了GPS接收器。接收器固定在一塊PC/104板上，通過串口與計算機主板連接。接收器采用12個通道的Conexant Jupiter TU60-D125模塊，時鐘精度20納秒，位置精度為水平25米、垂直78米，速度精度0.1米/秒[sup][16][/sup]。 　　2.5成像儀的自主控制軟件 　　我們在成像儀主控計算機上安裝了Windows 2000操作系統(tǒng)。控制軟件采用Visual C++ 6.0編寫，通過調(diào)用采集卡配套的開發(fā)工具函數(shù)庫MIL-Lite7.5完成采集卡控制、圖像采集、傳輸和存儲等一系列功能[sup][17][/sup]。 　　自主控制軟件實現(xiàn)了如下功能：自啟動、自主運行;自動控制多路攝像頭曝光、采集、存儲;根據(jù)上一幅圖像的直方圖自動調(diào)整電子快門;GPS接收、解碼計算;與無人機飛行控制計算機的通訊;執(zhí)行來自飛行控制計算機的開始采集、停止采集、改變采集間隔、關(guān)機等指令;記錄姿態(tài)和位置數(shù)據(jù);向飛行控制計算機報告采集狀態(tài)、剩余磁盤空間。 　　2.6 飛行實驗 　　2003年9月，成像儀在常州洪莊機場首次參加了有人機載搭載實驗，獲取了常州市區(qū)單波段航空遙感圖像。 　　2004年11月，成像儀在大連周水子國際機場參加了3個架次有人機搭載實驗，獲取了大連莊河沿海地區(qū)1614幅三波段航空遙感圖像。 　　2005年12月，成像儀安裝在SE-1型無人駕駛飛機上，在膠南沿海完成了無人機載地面滑跑實驗。 3 嵌入式計算機PC/104+在無人機載大面陣CCD相機系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　“輕小型平臺（無人機）大面陣CCD相機系統(tǒng)”是上海市2003年度科技攻關(guān)計劃項目，由上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)。項目研制一套無人機載高分辨率面陣CCD相機系統(tǒng)，用于防洪指揮、水利工程、大比例尺制圖、水質(zhì)評價、環(huán)境監(jiān)測等。 　　該系統(tǒng)由面陣CCD相機頭部和主控計算機兩部分組成。 　　面陣CCD相機頭部完成遙感圖像的拍攝獲取。相機頭部包括相機機身、鏡頭和數(shù)碼后背三部分。相機機身選用了康泰時645AF中畫幅單鏡頭反光相機。鏡頭采用卡爾蔡司45mm f/2.8 Distagon T鏡頭，焦距45毫米，視場角76°。數(shù)碼后背選用了MegaVision公司的FB4040，單色CCD，有效像元數(shù)4080×4080，接口為IEEE1394。 　　主控計算機完成對相機的控制，圖像的傳輸和存儲。PC/104+嵌入式計算機具有很好的通用性，我們將無人機載小型多光譜成像儀主控計算機的視頻采集卡更換為IEEE1394卡，即成為本系統(tǒng)的主控計算機，其余部分不需做任何改動。IEEE1394卡選用了瑞士數(shù)字邏輯公司生產(chǎn)的MSMW104+。 　　系統(tǒng)控制軟件采用MegaVision公司提供的與數(shù)碼后背配套的Megavision Device Library API開發(fā)庫編寫[sup][18][/sup]，開發(fā)環(huán)境為Visual C++ 6.0。軟件實現(xiàn)了下列功能：自啟動、自主運行，自動控制相機曝光、采集、存儲，GPS計算，執(zhí)行來自飛行控制計算機的指令，記錄姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，向飛行控制計算機報告采集狀態(tài)、剩余磁盤空間。 4 結(jié)論 　　PC/104+嵌入式計算機體積小、重量輕、抗震性好，非常符合小型無人機載的要求。同時，它具備良好的通用性和可擴展性。它支持Windows系列操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件開發(fā)方便。市場上PC/104+擴展卡產(chǎn)品豐富，如采集卡、IEEE1394卡、SCSI卡等，使PC/104+嵌入式計算機易于功能擴展，開發(fā)周期短，應(yīng)用范圍廣泛。 　　PC/104+嵌入式計算機在我們研制的兩種無人機載遙感儀器上的應(yīng)用都取得了成功。以此為基礎(chǔ)，今后可推廣發(fā)展一系列基于PC/104+嵌入式計算機的無人機載遙感儀器。 參考文獻 　　[1]http://www.bai.aero 　　[2]http://www.aerosonde.com.au 　　[3]孫杰,林宗堅,崔紅霞 無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng) 遙感信息 2003/1 　　[4]王斌永,舒嶸,賈建軍,等 無人機載小型多光譜成像儀的設(shè)計 光學(xué)與光電技術(shù) 2004/2 　　[5]孫濱生 無人機任務(wù)有效載荷技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究 電光與控制 2001年增刊 　　[6]S.R. Herwitz, L.F. Johnson, S.E. Dunagand, Imaging from an unmanned aerial vehicle: agricultural surveillance and decision support Computers and Electronics in Agriculture 44 （2004） 49–61 　　[7]崔紅霞,孫杰,林宗堅 無人機遙感設(shè)備的自動化控制系統(tǒng) 測繪科學(xué) 2004/2 　　[8]Xiuhong Sun, James Baker, Richard Hordon，Computerised Airborne Multicamera Imaging System（CAMIS） and its Four-Camera Applications, Proceedings of the Third International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition, Vol. II, 1997 　　[9]J. H. Everitt, D. E. Escobar, C. Yang, R. S. Fletcher and M. R. Davis Aerial photography and electronic imaging systems used by the U.S. department of agriculture Presented at the Fifth International Airborne Remote Sensing Conference, San Francisco, California, 17-20 September 2001 　　[10]劉團結(jié),童慶禧,鄭蘭芬,等 一種航空多光譜數(shù)字相機系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 測繪通報 2003/1 　　[11]http://uav-applications.org/projects/vineyards_3.html 　　[12]http://www.pc104.org 　　[13]周延波,劉崇華,祁麟 一種嵌入式工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)PC/104總線 微計算機信息 1995/4 P.26-28 　　[14]IBASE Technology Co., Ltd.，IB104+ Transmeta Crusoe TM5400/5800 PC/104-Plus CPU Module User’s Manual Version 1.0A 　　[15]Matrox Electronic Systems Ltd.，Matrox Meteor-II/Multi-Channel Installation and Hardware Reference，2002 　　[16]Conexant Corporation，Jupiter T GPS Timing Receiver TU60-D120 Series Data Sheet，2001 　　[17]Matrox Electronic Systems Ltd.，MIL User Guide - Matrox MIL help，2003 　　[18]MegaVision Inc.，MegaVision Digital Back For Topcon 50 EX，2004