彭彬彬,關(guān)桂霞,趙海盟,晏 磊,谷靜博
(1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100048;2.北京大學(xué) 空間信息集成與3S工程應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)
無人機(jī)遙感技術(shù)是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、GPS定位等先進(jìn)技術(shù),快速獲取遙感信息,并完成遙感數(shù)據(jù)的處理、建模、分析的應(yīng)用技術(shù)[1]。無人機(jī)遙感技術(shù)可以對特殊、緊急事件作出快速反應(yīng),發(fā)揮出無人機(jī)靈活、快速、機(jī)動(dòng)等獨(dú)有優(yōu)勢[2]。車載無人機(jī)遙感是把無人機(jī)遙感與野外實(shí)時(shí)現(xiàn)場決策結(jié)合起來的一種新技術(shù),不僅要完成無人機(jī)航拍檢測的功能,還要實(shí)時(shí)與車載控制中心進(jìn)行信息交互,發(fā)揮臨場重大決策的功能。目前現(xiàn)場指揮車實(shí)時(shí)控制在某些大型野外作業(yè)、城市重大活動(dòng)應(yīng)急中有所使用,但是沒有和無人機(jī)遙感結(jié)合起來,功能比較單一。有一些能利用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,但是又缺乏專業(yè)的遙感影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析以及臨場決策等功能[3]。
本文所涉及到的車載無人機(jī)遙感系統(tǒng),以地面指揮車作為控制中心,能夠快速的進(jìn)行現(xiàn)場信息的采集以及預(yù)處理,機(jī)動(dòng)性、靈活性很強(qiáng)。無人機(jī)搭載數(shù)據(jù)獲取模塊、無線收發(fā)模塊、導(dǎo)航模塊等必要的載荷進(jìn)行航飛,并將獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳至地面指揮車,車內(nèi)指揮人員根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)可以臨場決策,發(fā)出有效命令給無人機(jī)載荷端,例如調(diào)整無人機(jī)相機(jī)載荷的各個(gè)參數(shù),以獲取高質(zhì)量的遙感圖像等[4]。
車載無人機(jī)遙感系統(tǒng)包含無人機(jī)平臺(tái)、遙感載荷平臺(tái)、衛(wèi)星通信、普通無線通信、地面數(shù)據(jù)獲取與分析、大屏幕信息融合以及眾多的環(huán)境傳感器和其他物聯(lián)信息的控制[5]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車載無人機(jī)遙感載荷系統(tǒng)中前置相機(jī)的數(shù)據(jù)獲取、控制和存儲(chǔ)功能模塊以及車載地面控制端遙感影像實(shí)時(shí)顯示與控制功能模塊。
針對車載無人機(jī)遙感的特點(diǎn),本系統(tǒng)前置相機(jī)的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以ARM作為主處理器,結(jié)合外圍必要電路完成系統(tǒng)功能。地面車載控制與顯示系統(tǒng)中采用基于Qt/Embedded設(shè)計(jì)的圖形采集控制界面。系統(tǒng)以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),最大程度的保證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性[6],最終實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的快速獲取、實(shí)時(shí)下傳以及對載荷相機(jī)的遠(yuǎn)程控制。
系統(tǒng)主體分為兩大部分,分別為車載地面控制端和無人機(jī)載荷端。其中,無人機(jī)端搭載飛行控制電路、圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他必要傳感器系統(tǒng)。地面控制端主要負(fù)責(zé)完成對無人機(jī)飛行狀態(tài)以及無人機(jī)相關(guān)載荷的控制,例如根據(jù)不同觀測區(qū)域?qū)ο鄼C(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置與調(diào)整等。本文主要基于嵌入式ARM處理器,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無人機(jī)端圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),并基于Qt/Embedded設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于控制載荷相機(jī)的用戶界面,通過無線通訊系統(tǒng),將用戶輸入指令發(fā)送至無人機(jī)端的相機(jī)載荷,最終實(shí)現(xiàn)對相機(jī)載荷遠(yuǎn)程控制。
整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示:
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖The overall architecture of the system
在整個(gè)系統(tǒng)中,無人機(jī)載荷的圖像采集系統(tǒng)為本文的主要設(shè)計(jì)部分,主要思路是基于嵌入式ARM處理器編寫應(yīng)用程序,控制外部成像設(shè)備,完成圖像數(shù)據(jù)采集,并經(jīng)數(shù)據(jù)總線將其寫入存儲(chǔ)設(shè)備,同時(shí)根據(jù)需要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下傳。另外,基于 Qt/Embedded設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地面控制端中的成像控制系統(tǒng),它是整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互的重要組成部分,是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交流的接口,地面指揮人員可通過成像控制系統(tǒng)完成對圖像采集系統(tǒng)的控制,如設(shè)置成像設(shè)備的基本控制信息、設(shè)置分辨率、選擇拍攝模式等。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,考慮到軟件是在基于Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì),而最終的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要運(yùn)行于開發(fā)板,因此,選擇采用宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)相結(jié)合的交叉開發(fā)模式:即在主機(jī)上設(shè)計(jì)、編譯軟件,調(diào)試成功后再在目標(biāo)板上運(yùn)行、驗(yàn)證[7]。整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)The software and hardware architecture of the system
Video4Linux(簡稱V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊,是在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行圖像視頻系統(tǒng)開發(fā)的核心,它為驅(qū)動(dòng)程序的編寫提供了統(tǒng)一的接口。V4L為雙層架構(gòu),上層是V4L提供給程序開發(fā)人員APIs的應(yīng)用層,下層是提供硬件支持的圖像設(shè)備驅(qū)動(dòng)。V4L應(yīng)用層對圖像設(shè)備的操作是通過一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相對應(yīng)的IOCTL函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。每一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都對應(yīng)一個(gè)IOCTL函數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定的功能。V4L給驅(qū)動(dòng)程序編寫提供極大方便,同時(shí)方便了應(yīng)用程序的編寫和移植。V4L2是V4L的升級版本,由于使用的開發(fā)板不再支持V4L,因而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用V4L2[8]。
在Linux系統(tǒng)下,所有的外部設(shè)備都像普通文件一樣被訪問。但是應(yīng)用程序不能直接讀寫硬件的物理地址,必須借助驅(qū)動(dòng)程序切入操作系統(tǒng)內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)對這些物理地址的訪問[9]。驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),使得應(yīng)用程序可以使用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)接口函數(shù)完成對硬件設(shè)備的打開、關(guān)閉和I/O控制操作。由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處于實(shí)驗(yàn)階段,所以選擇較為簡單的USB高清攝像頭作為成像設(shè)備,在V4L2中提供了關(guān)于成像設(shè)備的基本操作函數(shù)open、read、write、close以及對I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl的實(shí)現(xiàn)等。
圖像采集軟件設(shè)計(jì)的主要思路為調(diào)用V4L2提供的接口函數(shù)完成圖像的采集。圖像采集的工作主要包括成像設(shè)備的打開與初始化、圖像的采集、圖像格式轉(zhuǎn)化、關(guān)閉設(shè)備等。圖像數(shù)據(jù)獲取程序的整個(gè)處理流程如圖3所示。
2.2.1 打開設(shè)備并初始化
當(dāng)USB攝像頭與控制核心成功連接時(shí),會(huì)生成設(shè)備文件/dev/video0,使用V4L2提供的接口函數(shù)open函數(shù)就可以將其打開,返回值是設(shè)備的文件描述符。具體調(diào)用如下:
Open函數(shù)首先檢測成像設(shè)備的驅(qū)動(dòng)是否正確注冊,若滿足則進(jìn)行后續(xù)操作,否則返回錯(cuò)誤信息,釋放內(nèi)存。當(dāng)檢測到驅(qū)動(dòng)運(yùn)行正常后,open函數(shù)將對設(shè)備的傳感器和解碼模塊進(jìn)行初始化,并在此基礎(chǔ)上初始化URB(USB Request Block),最后啟動(dòng)攝像頭,采用同步傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)過程如圖4所示。
圖3 圖像采集流程圖The whole process of image acquisition
圖4 Open函數(shù)工作流程The working process of open function
當(dāng)設(shè)備被成功打開之后,我們就可以通過調(diào)用ioctl函數(shù)和VIDIOC_QUERYCAP接口命令查詢攝像頭的相關(guān)信息,在結(jié)構(gòu)體v4l2_capability中包括了驅(qū)動(dòng)名稱driver、card、bus_info、version以及屬性capabilities等。使用命令VIDIOC_ENUM_FMT,可查詢攝像頭所支持的像素格式,獲取到的信息通過結(jié)構(gòu)體v4l2_fmtdesc查看。根據(jù)查詢到的相關(guān)信息,還要對攝像頭成像格式進(jìn)行設(shè)置,命令為 VIDIOC_S_FMT,通過結(jié)構(gòu)體v4l2_format把圖像的像素格式設(shè)置為V4L2_PIX_FMT_YUYV,另外還包括圖像高度、寬度的設(shè)置。設(shè)備的打開及初始化主要涉及以下幾個(gè)函數(shù):
其中,fmt是由v4l2_format定義的結(jié)構(gòu)體,v4l2_format結(jié)構(gòu)體是在系統(tǒng)中的頭文件/usr/include/linux/videodev2.h中定義的,包含的主要內(nèi)容為成像設(shè)備獲取到的圖像的格式信息。
2.2.2 圖像數(shù)據(jù)采集
獲取圖像數(shù)據(jù)的第一步工作是申請緩存,使用參數(shù) VIDIOC_REQBUFS和結(jié)構(gòu)體v4l2_requestbuffers。v4l2_requestbuffers同樣在系統(tǒng)函數(shù)的頭文件中定義,該結(jié)構(gòu)中定義了緩存的數(shù)量,系統(tǒng)會(huì)據(jù)此申請對應(yīng)數(shù)量的視頻緩存,緩存申請的函數(shù)如下所示。
當(dāng)緩存申請完成后,需要獲取每個(gè)緩存的信息,并通過mmap函數(shù)將其映射至內(nèi)存。定義buffer結(jié)構(gòu)體用來存儲(chǔ)內(nèi)存映射的地址信息,結(jié)構(gòu)體的定義如下。
獲取緩存信息并映射至內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下,其中buffers[n_buffers].start的地址處就是圖像數(shù)據(jù)存放的位置。
當(dāng)以上工作完成后,就可通過VIDIOC_STREAMON命令開始進(jìn)行圖像的采集,并使用命令VIDIOC_DQBUF讀取緩存中的數(shù)據(jù),函數(shù)如下。
圖像數(shù)據(jù)獲取的整個(gè)過程如圖5所示。
圖5 圖像數(shù)據(jù)獲取過程The process of image data acquisition
2.2.3 圖像格式的轉(zhuǎn)換
由于攝像頭獲取的原始數(shù)據(jù)格式為YUV格式,為了方便觀察,需要將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)镽GB格式,并將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到frame_buffer中。YUV到RGB顏色空間轉(zhuǎn)換關(guān)系是:
因?yàn)槲覀円巡杉降臄?shù)據(jù)保存為圖片格式,所以還需將轉(zhuǎn)換為RGB格式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為BMP格式。BMP文件格式主要由文件信息頭、位圖信息頭、顏色信息和數(shù)據(jù)信息四部分組成[10],其中文件頭主要包含文件的大小、文件類型、圖像數(shù)據(jù)偏離文件頭的長度等信息,文件頭包含的各個(gè)參數(shù)及參數(shù)的意義如表1所示。
表1 文件信息頭各參數(shù)及意義The parameters and significance of the file information header
位圖信息頭包圖像的大小、圖像的尺寸信息、圖像的壓縮類型、圖像的分辨率、位圖的顏色深度、圖像所用的顏色數(shù)等信息。與文件頭相似,位圖信息頭也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,其參數(shù)具體如表2所示,由于位圖信息頭的參數(shù)相對較多,表2中只選擇了幾個(gè)有代表性的參數(shù)列出。
表2 位圖信息頭各參數(shù)及意義The parameters and significance of the bitmap information header
顏色信息包含圖像所用到的顏色表,顯示圖像時(shí)需用到幾個(gè)顏色表來生成調(diào)色板,但系統(tǒng)中所采用的攝像頭采集到的圖像為24位真彩圖,因此不需要調(diào)整顏色信息。
數(shù)據(jù)信息表示圖像的相應(yīng)像素值,并按照從左到右、從下到上的順序進(jìn)行保存。
BMP圖像的保存過程如下:首先建立一個(gè).bmp格式的空文件,并將文件信息頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和位圖信息頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依次寫入到新建的空文件,最后將緩存區(qū)的圖像數(shù)據(jù)按照從左到右、從下到上的順序?qū)懭胛募械臄?shù)據(jù)信息區(qū)域,這樣就可以得到一副標(biāo)準(zhǔn)的BMP圖像。
2.2.4 停止采集并關(guān)閉設(shè)備
當(dāng)圖像采集完成后,使用命令VIDIOC_STREAMOFF停止視頻采集,并調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉設(shè)備,整個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下所示。
由以上分析可知,圖像采集的整個(gè)流程主要包括以下四個(gè)步驟:成像設(shè)備的打開、圖像數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化以及成像設(shè)備的關(guān)閉。成像設(shè)備的打開主要完成設(shè)備的驅(qū)動(dòng)注冊、初始化等,保證成像設(shè)備的正常運(yùn)行;圖像數(shù)據(jù)獲取主要包括緩存的申請、內(nèi)存映射以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),完成圖像采集的主要工作;數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化的目的是將原始數(shù)據(jù)保存為標(biāo)準(zhǔn)的圖像文件,并保存至存儲(chǔ)設(shè)備;最后停止采集并關(guān)閉設(shè)備,完成圖像數(shù)據(jù)的獲取與存儲(chǔ)。
Qt/Embedded以原始的Qt為基礎(chǔ),并做出了許多調(diào)整,是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形用戶界面的工具包。它可以直接在Framebuffer上顯示圖形接口,反應(yīng)的速度更快,這對硬件與容量都有限制的嵌入式環(huán)境來說非常重要[11]。它的類庫完全使用C++封裝,具有豐富的控件資源和良好的移植性。Qt/Embedded采用信號(hào)/槽的安全類型來代替callback回調(diào)函數(shù),這樣各個(gè)元件之間的通信工作變得更加簡單和靈活[12]。Qt/Embedded程序開發(fā)采用交叉編譯的方式進(jìn)行,首先在PC機(jī)上編寫應(yīng)用程序,等調(diào)試成功后通過交叉編譯器編譯鏈接生成可以在ARM平臺(tái)上執(zhí)行的文件,最后將編譯過的可執(zhí)行文件移植到嵌入式平臺(tái),另外,為使LCD能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸功能,應(yīng)在編譯Qt/Embedded源碼之前,先編譯觸屏持庫tslib,在此基礎(chǔ)上移植應(yīng)用程序。還可根據(jù)需要為應(yīng)用程序建立.desktop文件,通過此文件為應(yīng)用程序添加桌面圖標(biāo),以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊圖標(biāo)啟動(dòng)應(yīng)用程序,方便操作。
Qt/Embedded整個(gè)程序的開發(fā)流程如圖6所示。
圖6 嵌入式Qt/Embedded程序開發(fā)流程The development process of Qt/Embedded
設(shè)計(jì)良好的圖形界面可以簡化操作,使用戶方便地與系統(tǒng)進(jìn)行交互。本系統(tǒng)選用Qt/Embedded進(jìn)行圖像采集處理終端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì),終端界面的每一個(gè)按鈕都有與其一一對應(yīng)的槽函數(shù),當(dāng)按鈕被點(diǎn)擊時(shí),通過信號(hào)與槽機(jī)制,對應(yīng)的槽函數(shù)會(huì)被觸發(fā),實(shí)現(xiàn)按鈕的功能??刂平K端主要功能包括設(shè)備的控制、拍攝模式選擇、分辨率調(diào)節(jié)以及圖像簡單處理等。其中,圖像的拍攝可分為自動(dòng)拍攝和手動(dòng)拍攝,自動(dòng)拍攝時(shí)還可以根據(jù)需要設(shè)置不同的拍攝間隔;可根據(jù)需要調(diào)節(jié)圖像的分辨率,還可設(shè)置為默認(rèn)分辨率;圖像簡單處理模塊包括圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等。系統(tǒng)整體的應(yīng)用程序是基于主窗口來實(shí)現(xiàn)的,整個(gè)系統(tǒng)的界面示意圖如圖7所示。
圖像采集系統(tǒng)與控制顯示終端設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)編譯、調(diào)試無誤后,將生成的可執(zhí)行文件分別移植至ARM開發(fā)板。位于地面端的控制系統(tǒng)命令的發(fā)送及飛機(jī)載荷端控制命令的接收都依靠于無線通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大體可分為兩方面:一方面為無人機(jī)以及載荷設(shè)備的控制指令,包括相機(jī)載荷的參數(shù)調(diào)整等;另一方面為傳輸無人機(jī)載荷獲取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
圖7 圖像采集系統(tǒng)界面The interface of image acquisition system
設(shè)計(jì)完成后,在基于Linux的Qt/Embedded環(huán)境(基于PC機(jī))下進(jìn)行了調(diào)試,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部取得了成功,成像效果如圖8所示。
圖8 PC機(jī)端成像效果圖The result of image acquisition based on PC
在PC端測試無誤后,將調(diào)試好的可執(zhí)行文件下載至開發(fā)板。為了方便操作,在開發(fā)板中建立.desktop文件,并通過該文件為應(yīng)用程序添加桌面啟動(dòng)圖標(biāo)。系統(tǒng)上電后,點(diǎn)擊開發(fā)板液晶屏上的相應(yīng)的啟動(dòng)圖標(biāo),啟動(dòng)應(yīng)用程序?;陂_發(fā)板端的成像效果圖如圖9示。
圖9 開發(fā)板端的成像效果圖The result of image acquisition based on development board
整套圖像采集系統(tǒng)要運(yùn)用于車載無人機(jī)遙感系統(tǒng)中,所以室外實(shí)驗(yàn)是必不可少的。圖10是室外實(shí)驗(yàn)時(shí)獲取的實(shí)時(shí)圖像采集效果圖,滿足車載無人機(jī)圖像采集的要求。室外成像實(shí)物圖如圖11所示。
圖10 成像效果圖The result of image acquisition
圖11 實(shí)物圖The physical map
另外,系統(tǒng)采集到的圖像默認(rèn)以時(shí)間作為前綴來命名,即“時(shí)間 +該時(shí)間內(nèi)所拍攝的次數(shù).bmp”,效果如圖12所示。
圖12 圖像命名規(guī)則Picture naming rules
測試結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的圖像采集處理程序能夠順利采集圖像數(shù)據(jù),并將其存儲(chǔ)至外部存儲(chǔ)設(shè)備,基于QT/Embedded設(shè)計(jì)的控制與顯示終端也實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互,操作方便,基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。
車載無人機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng),圖像采集模塊與顯示模塊只是其中的兩個(gè)環(huán)節(jié),這部分與無人機(jī)通信系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、車內(nèi)顯示系統(tǒng)、車內(nèi)遙感圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)以及車載決策系統(tǒng)等構(gòu)成有機(jī)聯(lián)系,所以在后續(xù)集成與調(diào)試方面還有一些外圍工作去完善,以滿足車載無人機(jī)的各項(xiàng)要求。
本文詳細(xì)介紹了車載無人機(jī)遙感載荷系統(tǒng)中前置相機(jī)的數(shù)據(jù)獲取、控制和存儲(chǔ)功能模塊以及車載地面控制端遙感影像實(shí)時(shí)顯示與控制功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。基于ARM和嵌入式Linux設(shè)計(jì)的圖像采集處理系統(tǒng)完成了高效的圖像采集任務(wù),能夠?qū)崟r(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)并將其保存至存儲(chǔ)設(shè)備。另外,還可通過地面控制端實(shí)現(xiàn)拍攝的遠(yuǎn)程控制。在設(shè)計(jì)思路上,采用軟硬件結(jié)合的嵌入式設(shè)計(jì)方式和模塊化的設(shè)計(jì)思想,使開發(fā)過程靈活高效并方便以后的功能擴(kuò)展和改進(jìn)。
車載無人機(jī)遙感系統(tǒng)包含眾多功能模塊,本文涉及到兩部分,其有效性與穩(wěn)定性還需進(jìn)一步測試與實(shí)驗(yàn)。
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