摘 要：小型無人機(jī)是低成本的新型遙感平臺(tái)，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(jì)算機(jī)較好的滿足了此要求，并具備開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)。研制成功無人機(jī)載小型多光譜成像儀（國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)的航空遙感儀器）和無人機(jī)載大面陣CCD相機(jī)系統(tǒng)。PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)在兩臺(tái)儀器中完成了曝光控制、圖像采集、傳輸、存儲(chǔ)、GPS解碼計(jì)算、執(zhí)行遠(yuǎn)程指令、狀態(tài)報(bào)告等功能。 關(guān)鍵詞：無人駕駛飛機(jī) 航空遙感 嵌入式計(jì)算機(jī) PC/104+ 　 1 新型遙感平臺(tái)——小型無人機(jī) 　　小型無人駕駛飛機(jī)是近年來發(fā)展迅速的新型遙感平臺(tái)。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(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用、人力成本遠(yuǎn)低于有人駕駛飛機(jī)。其低廉的費(fèi)用使得許多中小型用戶也有能力支付，擴(kuò)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(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)有：能夠低速、低空飛行，有利于遙感作業(yè);機(jī)動(dòng)靈活;升空準(zhǔn)備時(shí)間短等。其缺點(diǎn)是對(duì)載荷的體積重量有嚴(yán)格限制，對(duì)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(jī)[sup][1][2][3][4][/sup]。 [align=center] 表1 幾種用于遙感的小型無人機(jī)[/align] 　　小型無人機(jī)可裝載的遙感儀器種類繁多，有電視攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、紅外傳感器、合成孔徑雷達(dá)、超光譜掃描儀、多光譜成像儀等[sup][5][/sup]。 2 嵌入式計(jì)算機(jī)PC/104+在無人機(jī)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(guó)的無人機(jī)遙感技術(shù)，國(guó)家863計(jì)劃制訂了“無人機(jī)海洋遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)”課題，研制一套無人機(jī)海洋遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的無人機(jī)平臺(tái)即表1中青島天驕公司生產(chǎn)的SE-1型小型無人機(jī)。系統(tǒng)中的遙感設(shè)備——無人機(jī)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(jì)算機(jī)的選擇 　　無人機(jī)載小型多光譜成像儀包括光學(xué)頭部和主控計(jì)算機(jī)兩個(gè)組成部分。 　　光學(xué)頭部由3臺(tái)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的溢油、赤潮、海冰等現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)。 　　主控計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)起來。一般有兩種構(gòu)成方式： 　　一是基于單片機(jī)或單板機(jī)，其體積很小，功能簡(jiǎn)單。此類儀器有：美國(guó)NASA與Clark University合作研制的采用DuncanTech MS3100的多光譜成像儀，主控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)級(jí)單板機(jī)[sup][6][/sup];中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的UAVRS-II低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主控計(jì)算機(jī)采用89C52單片機(jī)[sup][7][/sup]。 　　二是基于商用PC機(jī)，體積較大，功能強(qiáng)，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(chǔ)等功能。此類儀器有：美國(guó)Flight Landata公司的CAMIS采用半高度的立式臺(tái)式機(jī)[sup][8][/sup];美國(guó)農(nóng)業(yè)部True Digital Imaging System采用Gateway 2000 PC機(jī)[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(jī)系統(tǒng)采用PIII-866工控機(jī)[sup][10][/sup]。 　　本課題使用的SE-1型無人機(jī)平臺(tái)要求有效載荷體積小于350mm×250mm×240mm，商用臺(tái)式機(jī)、工控機(jī)體積過大無法裝入。如果采用單片機(jī)或單板機(jī)，則實(shí)現(xiàn)視頻獲取、采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等復(fù)雜功能帶來很大的工作量，實(shí)現(xiàn)比較困難。 　　經(jīng)比選，我們采用了PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)。它既具備PC機(jī)的通用性、可擴(kuò)展性，又滿足了無人機(jī)平臺(tái)對(duì)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(guó)NASA設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的報(bào)道[sup][11][/sup]。 　　2.3 PC/104+總線簡(jiǎn)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(gè)總線管腳，有效信號(hào)線和控制線和PCI總線兼容。其電氣和機(jī)械規(guī)范特點(diǎn)如下[sup][12][13][/sup]： 　　1）小尺寸結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)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(dòng)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(jì)算機(jī)的構(gòu)成 　　成像儀嵌入式主控計(jì)算機(jī)由主板、采集卡、電子硬盤、GPS接收器構(gòu)成。 　　主板采用了臺(tái)灣廣積科技公司生產(chǎn)的IB104+。主板是嵌入式計(jì)算機(jī)的主體，集成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(dá)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(jì)算機(jī)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(dá)到132MB/秒;采樣頻率可達(dá)30MHz;信噪比47dB。支持對(duì)3路同步的RS-170或CCIR視頻信號(hào)進(jìn)行并行采集。采集卡支持實(shí)時(shí)的視頻流至計(jì)算機(jī)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(chǔ)芯片的工業(yè)級(jí)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(jì)算機(jī)主板連接。接收器采用12個(gè)通道的Conexant Jupiter TU60-D125模塊，時(shí)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?cè)诔上駜x主控計(jì)算機(jī)上安裝了Windows 2000操作系統(tǒng)?？刂栖浖捎肰isual 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(kù)MIL-Lite7.5完成采集卡控制、圖像采集、傳輸和存儲(chǔ)等一系列功能[sup][17][/sup]。 　　自主控制軟件實(shí)現(xiàn)了如下功能：自啟動(dòng)、自主運(yùn)行;自動(dòng)控制多路攝像頭曝光、采集、存儲(chǔ);根據(jù)上一幅圖像的直方圖自動(dòng)調(diào)整電子快門;GPS接收、解碼計(jì)算;與無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)的通訊;執(zhí)行來自飛行控制計(jì)算機(jī)的開始采集、停止采集、改變采集間隔、關(guān)機(jī)等指令;記錄姿態(tài)和位置數(shù)據(jù);向飛行控制計(jì)算機(jī)報(bào)告采集狀態(tài)、剩余磁盤空間。 　　2.6 飛行實(shí)驗(yàn) 　　2003年9月，成像儀在常州洪莊機(jī)場(chǎng)首次參加了有人機(jī)載搭載實(shí)驗(yàn)，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(guó)際機(jī)場(chǎng)參加了3個(gè)架次有人機(jī)搭載實(shí)驗(yàn)，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(jī)上，在膠南沿海完成了無人機(jī)載地面滑跑實(shí)驗(yàn)。 3 嵌入式計(jì)算機(jī)PC/104+在無人機(jī)載大面陣CCD相機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 　　“輕小型平臺(tái)（無人機(jī)）大面陣CCD相機(jī)系統(tǒng)”是上海市2003年度科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，由上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)。項(xiàng)目研制一套無人機(jī)載高分辨率面陣CCD相機(jī)系統(tǒng)，用于防洪指揮、水利工程、大比例尺制圖、水質(zhì)評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。 　　該系統(tǒng)由面陣CCD相機(jī)頭部和主控計(jì)算機(jī)兩部分組成。 　　面陣CCD相機(jī)頭部完成遙感圖像的拍攝獲取。相機(jī)頭部包括相機(jī)機(jī)身、鏡頭和數(shù)碼后背三部分。相機(jī)機(jī)身選用了康泰時(shí)645AF中畫幅單鏡頭反光相機(jī)。鏡頭采用卡爾蔡司45mm f/2.8 Distagon T鏡頭，焦距45毫米，視場(chǎng)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(jì)算機(jī)完成對(duì)相機(jī)的控制，圖像的傳輸和存儲(chǔ)。PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)具有很好的通用性，我們將無人機(jī)載小型多光譜成像儀主控計(jì)算機(jī)的視頻采集卡更換為IEEE1394卡，即成為本系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，其余部分不需做任何改動(dòng)。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(kù)編寫[sup][18][/sup]，開發(fā)環(huán)境為Visual C++ 6.0。軟件實(shí)現(xiàn)了下列功能：自啟動(dòng)、自主運(yùn)行，自動(dòng)控制相機(jī)曝光、采集、存儲(chǔ)，GPS計(jì)算，執(zhí)行來自飛行控制計(jì)算機(jī)的指令，記錄姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，向飛行控制計(jì)算機(jī)報(bào)告采集狀態(tài)、剩余磁盤空間。 4 結(jié)論 　　PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)體積小、重量輕、抗震性好，非常符合小型無人機(jī)載的要求。同時(shí)，它具備良好的通用性和可擴(kuò)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(chǎng)上PC/104+擴(kuò)展卡產(chǎn)品豐富，如采集卡、IEEE1394卡、SCSI卡等，使PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)易于功能擴(kuò)展，開發(fā)周期短，應(yīng)用范圍廣泛。 　　PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)在我們研制的兩種無人機(jī)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(jì)算機(jī)的無人機(jī)載遙感儀器。 參考文獻(xiàn) 　　[1]http://www.bai.aero 　　[2]http://www.aerosonde.com.au 　　[3]孫杰,林宗堅(jiān),崔紅霞 無人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 遙感信息 2003/1 　　[4]王斌永,舒嶸,賈建軍,等 無人機(jī)載小型多光譜成像儀的設(shè)計(jì) 光學(xué)與光電技術(shù) 2004/2 　　[5]孫濱生 無人機(jī)任務(wù)有效載荷技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究 電光與控制 2001年增刊 　　[6]S.R. 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