摘要：無(wú)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(wú)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(guò)無(wú)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(wú)人機(jī)； 遙感； AT89S52； 姿態(tài)控制

中圖分類號(hào)：TN91934文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40971227）；科技部國(guó)際科技合作計(jì)劃資助（2010DFA21880）；歐盟第七框架項(xiàng)目:Integrated goe-spatial information technology and its application to resource and environmental management towards the GEOSS0引言

無(wú)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(lái)空軍最具優(yōu)勢(shì)和前景的發(fā)展方向［1］。近年來(lái)，無(wú)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［2］。我國(guó)無(wú)人機(jī)工業(yè)起步雖晚，但發(fā)展迅速，已步入世界前列［3］?，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(wú)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［4］。

無(wú)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(wú)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(mén)為無(wú)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［5］，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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)航空遙感作業(yè)需求。該系統(tǒng)控制無(wú)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(guò)USB接口導(dǎo)入地面飛行控制站。

無(wú)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(kāi)發(fā)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(nèi)集成8 KB ISP（In System Programmable）可重復(fù)擦寫(xiě)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)。

圖1系統(tǒng)原理框圖2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.14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［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(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(kāi)銷，并且可以通過(guò)RTS輸出信號(hào)和CTS輸入信號(hào)自動(dòng)控制串行數(shù)據(jù)流來(lái)提高系統(tǒng)效率。所有邏輯均在片內(nèi)以便使系統(tǒng)開(kāi)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(wèn)(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(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RD，WR分別控制TL16C554A的讀寫(xiě)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Y0，Y1，Y2，Y3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(xiě)。

圖2串口擴(kuò)展電路原理圖TL16C554A的4路串行數(shù)據(jù)中斷信號(hào)接至輸入或非門(mén)輸入端，或非門(mén)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。

2.2USB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(xiě)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(xiě)固件程序，就可以直接讀寫(xiě)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［89］。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Y4與CH375的CS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(xiě)操作。CH375的INT接單片機(jī)的INT1輸入端，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過(guò)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。

圖3USB擴(kuò)展原理圖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(guò)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［10］。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(guò)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(kāi)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

圖4航向角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.4CCD/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(guò)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≈0.7CextRextCCD/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(lái)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(mén)。P521的輸出端串接一個(gè)10 kΩ的電阻，防止導(dǎo)通時(shí)電流過(guò)大而損壞相機(jī)。

圖5CCD/相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路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(guò)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。

圖6系統(tǒng)主程序流程圖系統(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(guò)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(guò)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(wú)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(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)可以較好的滿足無(wú)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(wèn)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。

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