魯希團(tuán)，呂 慧，荊鵬飛，王 健

(1.西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司， 西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所， 西安 710065)

無(wú)人機(jī)作為武器裝備，常裝載可見(jiàn)光、紅外攝像機(jī)等偵察設(shè)備，而執(zhí)行作業(yè)時(shí)偵察圖像中任意或可疑目標(biāo)位置獲取是系統(tǒng)作戰(zhàn)或情報(bào)獲取重要一步[1- 3]。現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)裝備中主要依靠工業(yè)計(jì)算機(jī)、專用圖像采集卡，獨(dú)立的操縱桿位置編碼器以及專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn),存在硬件數(shù)量偏多，數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)多、實(shí)時(shí)性差，軟件底層對(duì)專業(yè)廠家依賴性強(qiáng)等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單通用，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可全自主獨(dú)立生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)偵察目標(biāo)位置拾取器。

1 方案設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)下傳PAL制式視頻模擬，遙測(cè)通過(guò)RS232異步串行接口傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路將PAL制式模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻，將操縱桿位置以十字光標(biāo)形式顯示在視數(shù)圖像窗口中，當(dāng)發(fā)出凍結(jié)指令時(shí)，停止更新數(shù)字視頻與遙測(cè)數(shù)據(jù)，扳動(dòng)操縱桿，將十字光標(biāo)移至屏幕中目標(biāo)位置，按下拾取按鍵，開(kāi)始提取遙測(cè)數(shù)據(jù)中無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度坐標(biāo)、姿態(tài)角、航向角、攝像機(jī)方位角、高低角以及十字光標(biāo)的屏幕坐標(biāo)，采用三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法，解算光標(biāo)處目標(biāo)地理坐標(biāo)，同時(shí)將解算出的地理坐標(biāo)疊加在視頻圖像中，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻，同時(shí)將疊加地理坐標(biāo)后的數(shù)字視頻進(jìn)行壓縮，以網(wǎng)絡(luò)形式傳輸，供多個(gè)客戶端顯示或處理，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，需要進(jìn)行圖像模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像處理、視頻壓縮，因此，選用TI公司的多媒體處理芯片TMS320DM642(簡(jiǎn)稱DM642)為CPU，外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

DM642視頻輸入口連接SAA7113視頻編碼芯片，將模擬視頻轉(zhuǎn)換為YUV4∶2∶0格式數(shù)字視頻。DM642視頻輸出口連接SAA7105H芯片將處理后的視頻轉(zhuǎn)換為模擬視頻輸出。

通過(guò)CPLD(EPM3256A)芯片將DM642并口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，擴(kuò)展兩路異步串行，通過(guò)外接的電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232串口。

采用STM32F103單片機(jī)將操縱桿模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字量傳送給DM642擴(kuò)展的RS232串口。操縱桿分為X、Y軸，系統(tǒng)應(yīng)用STM32F103的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行雙通道X、Y軸模數(shù)轉(zhuǎn)換，STM32F103單片機(jī)擁有12位的AD轉(zhuǎn)換器，精度高，速度快，在應(yīng)用控制、手持設(shè)備等得到廣泛應(yīng)用[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

采用TI公司針對(duì)C6000芯片的BIOS操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，建立多線程，通過(guò)BIOS架構(gòu)的Mini-Driver方式對(duì)接口訪問(wèn)，線程之間通過(guò)RF5框架中SCOM通信模塊進(jìn)行通信[5-7]。

1) 首先進(jìn)行硬件初始化，包括CACHE、VP口、EMAC、I2C、EDMA、中斷等，初始化成功后，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)任務(wù)、圖像采集任務(wù)、遙測(cè)采集任務(wù)、操縱桿位置采集任務(wù)，最后啟動(dòng)圖像處理任務(wù)和視頻顯示任務(wù)[8]。

2) 在圖像采集任務(wù)中采集到一幀完整的原始數(shù)據(jù)并通過(guò)雙緩沖模式通過(guò)EDMA把數(shù)據(jù)保存在SDRAM中，把地址指針和同步信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

3) 遙測(cè)采集任務(wù)采用40 ms定時(shí)查詢的方式從DM642并口中讀取數(shù)據(jù),判斷對(duì)幀頭與幀尾校驗(yàn)后，放入遙測(cè)緩存。

4) 操縱桿位置采集任務(wù)采用80 ms定時(shí)查詢的方式從DM642并口中讀取操縱桿位置與開(kāi)關(guān)代碼(凍結(jié)、拾取),對(duì)幀頭與幀尾校驗(yàn)后，放入操縱桿數(shù)據(jù)緩存。

5) 數(shù)據(jù)處理任務(wù)根據(jù)操縱桿X、Y軸位置在原始圖像數(shù)據(jù)中疊加十字光標(biāo)，生成具有疊加光標(biāo)后的視頻數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)通過(guò)SCOM通信模塊發(fā)送到視頻顯示任務(wù)，得到PAL格式的模擬視頻。同時(shí)將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264壓縮，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端進(jìn)行解碼顯示。

6) 當(dāng)收到凍結(jié)指令，圖像采集任務(wù)與遙測(cè)采集任務(wù)停止更新緩存數(shù)據(jù)，等待拾取指令發(fā)出，根據(jù)操縱桿X、Y軸位置，通過(guò)空三結(jié)算，計(jì)算拾取位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將坐標(biāo)疊加到圖像中。主程序設(shè)計(jì)流程如圖3。

圖3 軟件主程序設(shè)計(jì)流程

3.2 圖像凍結(jié)

DM642接收到圖像凍結(jié)信號(hào)，立即停止更新視頻圖像與遙測(cè)數(shù)據(jù)緩存，網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)視器畫(huà)面視頻均為之前內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)圖像凍結(jié)。STM32F103將操縱桿X、Y軸位置數(shù)據(jù)發(fā)送至DM642，DM642接收到數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)化為凍結(jié)圖像中的像素位置，并在凍結(jié)圖像對(duì)應(yīng)位置疊加光標(biāo)與坐標(biāo)信息。

3.3 字符的疊加算法

系統(tǒng)摒棄了復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，采用直接修改外部存儲(chǔ)器SDRAM中的視頻數(shù)據(jù)的分量值得方式來(lái)實(shí)現(xiàn)字符等信息的疊加。由于視頻圖像的數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)于彩色PAL制式的圖像來(lái)說(shuō)，通常采用720×576格式，每個(gè)像素用YCbCr三分量顯示[9-11]。在SDRAM中開(kāi)辟3個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)，存放整幀圖像數(shù)據(jù)的3個(gè)分量值。當(dāng)需要在某個(gè)位置疊加字符信息時(shí)，就修改該點(diǎn)對(duì)應(yīng)SDRAM中3個(gè)分量的值即可。由于在實(shí)際應(yīng)用中背景顏色時(shí)很豐富的，疊加的光標(biāo)或數(shù)字可能會(huì)很多背景顏色掩藏，把疊加的字每個(gè)像素點(diǎn)與背景相對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)進(jìn)行異或。光標(biāo)或字符的顏色與周圍背景的顏色差異較大，易于人眼辨認(rèn)。

3.4 空三結(jié)算

采用三維空間坐標(biāo)系進(jìn)行多級(jí)轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)光電成像平臺(tái)對(duì)屏幕的目標(biāo)進(jìn)行定位，定位過(guò)程中需要定義以下4個(gè)坐標(biāo)系。

1) 地面坐標(biāo)系。以地面控制站位置為原點(diǎn)，標(biāo)記為Og，Xg軸指向正東方向，Yg軸指向正北方向，Zg軸指向天頂方向，該坐標(biāo)系標(biāo)記為Og-XgYgZg。

2) 無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系。以無(wú)人機(jī)的機(jī)體質(zhì)心為原點(diǎn)，標(biāo)記為Os，Xs軸指向正東方向，Ys軸指向正北方向，Zs軸指向天頂方向，該坐標(biāo)系標(biāo)記為Os-XsYsZs，此坐標(biāo)系三軸與地面坐標(biāo)系三軸分別平行。

3) 無(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系。以無(wú)人機(jī)的機(jī)體質(zhì)心為原點(diǎn)，標(biāo)記為Oa，Xa軸指向右，Ya軸指向前方，Za軸指向天頂方向，當(dāng)機(jī)體的姿態(tài)角(俯仰角與滾轉(zhuǎn)角)為零時(shí)，機(jī)體坐標(biāo)系與無(wú)人機(jī)的地理坐標(biāo)系重合，將其標(biāo)記為Oa-XaYaZa。

4) 攝像機(jī)坐標(biāo)系。是以攝像機(jī)中心為原點(diǎn)，標(biāo)記為Ob，Xb軸指向右，Yb軸指向前方，Zb軸指向天頂方向，將其標(biāo)記為Ob-XbYbZb。當(dāng)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角為零時(shí)，攝像機(jī)坐標(biāo)系的三軸與無(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系的三軸相互平行，相機(jī)中心點(diǎn)在機(jī)體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為T(mén)=[Tx，Ty，Tz]。

各坐標(biāo)系空間位置見(jiàn)圖4。

圖4 各坐標(biāo)系空間位置

設(shè)感興趣目標(biāo)T進(jìn)入無(wú)人機(jī)光電平臺(tái)攝像機(jī)透鏡的視場(chǎng)后，其相對(duì)攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)的像素坐標(biāo)為(xM，yM)，即在攝像機(jī)坐標(biāo)系下M點(diǎn)的坐標(biāo)為(xM，yM，-f),f為攝像機(jī)的焦距，目標(biāo)位置的坐標(biāo)求解步驟即定位流程如圖5所示。

圖5 目標(biāo)定位流程

1) 地面坐標(biāo)系Og-XgYgZg到無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系Os-XsYsZs的轉(zhuǎn)換。將地面站坐標(biāo)與無(wú)人機(jī)當(dāng)前的GPS坐標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)，以地面站為原心，計(jì)算出無(wú)人機(jī)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xc，yc，h),h為距離地面的高度。設(shè)目標(biāo)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xT，yT，zT)，由于無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系的三坐標(biāo)軸分別平行，所以目標(biāo)在無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(1)

2) 無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)系Os-XsYsZs到機(jī)體坐標(biāo)系Oa-XaYaZa的轉(zhuǎn)換。目標(biāo)在機(jī)體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(xa,ya,za)T=Q1Q2Q3(xs,ys,zs)T

(2)

Ψ為無(wú)人機(jī)繞Zs的航向角，θ為無(wú)人機(jī)繞Xs軸的俯仰角，γ為無(wú)人機(jī)繞Ys的滾轉(zhuǎn)角。

3) 機(jī)體坐標(biāo)系Oa-XaYaZa到攝像機(jī)坐標(biāo)系Ob-XbYbZb的轉(zhuǎn)換。相機(jī)中心點(diǎn)在機(jī)體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為T(mén)=[Tx，Ty，Tz] 則目標(biāo)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

(xb,yb,zb)T=Q4Q5(xa-Tx,ya-Ty,za-Tz)T

(3)

其中，α為相機(jī)繞Za軸方位角，β為相機(jī)繞Xa俯仰角。

將式(1)和式(2)代入式(3)得到：

(4)

如圖4所示，在攝像機(jī)坐標(biāo)系下，由相似三角形幾何關(guān)系可得：

(5)

在地面坐標(biāo)系中，目標(biāo)高度為零，ZT=0，把(4)式代入式(5),整理后得出關(guān)于XT，YT的二元一次方程為

(6)

在式(6)中，(xc，yc)為由GPS測(cè)的無(wú)人機(jī)在地面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為已知數(shù)。從遙測(cè)數(shù)據(jù)中可得到無(wú)人機(jī)的高度h，為已知數(shù)。(xM，yM)為目標(biāo)在像平面像素點(diǎn)的坐標(biāo)，即操縱桿拾取目標(biāo)的位置，為已知數(shù)。從遙測(cè)數(shù)據(jù)中可得到無(wú)人機(jī)飛行時(shí)偏航角Ψ，俯仰角θ，橫滾角γ，攝像機(jī)的方位角α，俯仰角β，所以矩陣Q4Q5Q1Q2Q3和Q4Q5已知。目標(biāo)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xT,yT)可由式(6)中的二元一次方程組解出。

求出目標(biāo)在地面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xT，yT，0)后，利用地面坐標(biāo)到經(jīng)緯坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以計(jì)算出目標(biāo)的經(jīng)緯度信息。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)備連接到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)后，無(wú)人機(jī)在500 m高空進(jìn)行巡航，圖像凍結(jié)目標(biāo)定位效果見(jiàn)圖6。

圖6 目標(biāo)定位效果圖

從圖6可看出：定位效果與設(shè)計(jì)效果一致，十字光標(biāo)處為目標(biāo)位置，旁邊數(shù)值為解算出的坐標(biāo)。

對(duì)地面多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行定位，定位坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)值見(jiàn)表1。從表1可看出：定位誤差小于80 m，50 m以下概率較大，能夠滿足系統(tǒng)要求。

表1 定位坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)值

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以TMS320DM642為CPU，通過(guò)外擴(kuò)硬件接口，以簡(jiǎn)單硬件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、視頻、操縱桿位置采集。利用DM642較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，采用空間三維坐標(biāo)多級(jí)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行目標(biāo)位置解算，并通過(guò)修改內(nèi)存將目標(biāo)位置坐標(biāo)疊加在視頻圖像中。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)⒛繕?biāo)坐標(biāo)疊加在目標(biāo)附近，目標(biāo)定位精度滿足系統(tǒng)要求。