无人机航空遥感平台机载作业控制系统设计
摘要：无人机相比较卫星和载人航空飞机遥感平台而言，具有成本低、灵活性高的特点。为了满足科学遥感实验、完成遥感作业任务、协调无人机电子吊舱中多组件工作、控制遥感影像传感器姿态，系统以AT89S52为主控芯片，扩展多路串口及USB接口以实现系统与外围设备的通信，同时设计了相机驱动模块及三自由度步进电机驱动模块。通过无人机航空遥感实验证明该系统能够满足遥感实验要求。
关键词：无人机； 遥感； AT89S52； 姿态控制
中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04013204
Design of airborne operating control system on UAV aerial remote sensing platform
YU Guolin1, CHEN Jiping2, YU Tao2, ZHANG Ying1, CHEN Xingfeng2, NING Kaifang1
(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 multicomponents 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. Multiserial 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：20110915
基金项目：国家自然科学基金资助项目（40971227）；科技部国际科技合作计划资助（2010DFA21880）；欧盟第七框架项目:Integrated goe-spatial information technology and its application to resource and environmental management towards the GEOSS0引言
无人机技术作为人类早期航空的重要组成部分，已有一百多年的历史，在军事领域得到了广泛的应用，主要西方国家都将其当作未来空军最具优势和前景的发展方向［1］。近年来，无人机的应用范围已经由最初的军事领域拓展至民用领域和科研领域［2］。我国无人机工业起步虽晚，但发展迅速，已步入世界前列［3］。现代社会中，遥感技术已成为人类获取地理环境及其变化信息的重要手段。随着信息科学与相关产业的发展，各国对遥感数据的需求急剧增长，然而对于许多发展中和不发达国家而言发展耗资巨大的航天遥感系统目前存在技术上和资金上的困难。将无人机作为航空摄影和对地观测的遥感平台为解决这种困难提供了一种新的技术途径，为遥感应用注入了新鲜血液［4］。
无人机相比较卫星和载人航空飞机遥感平台而言，具有成本低、灵活性高的特点。然而，传统的无人机并不是为遥感目的而设计的，同样，许多遥感设备也不是专门为无人机设计的，其结果是导致了他们之间的集成困难［5］，为了满足遥感科学实验、定标遥感与真实性检验、遥感传感器试验等遥感实验巨大需求，无人机航空遥感实验平台是一个很好的解决方案。无人机航空遥感平台机载作业控制系统能够协调无人机航空遥感平台中电子吊舱的多组件的工作，实时对遥感影像传感器进行姿态控制，对于获得良好有效的遥感数据起到至关重要的作用。
1系统功能及结构
系统的目标是满足无人机航空遥感作业需求。该系统控制无人机按照预定的作业计划任务或者接受人工遥控执行遥感作业，协调电子吊舱中多组件的工作，与数传电台、自动驾驶仪、稳定云台、航姿系统以及CCD/相机相连。
系统功能包括：
（1） 接收数传电台命令，将命令分流到稳定云台和CCD/相机；
（2） 接收航姿系统和自动驾驶仪的时间、经度、纬度、高度、俯仰、滚动、航向等参数，将其存储在控制系统中并由数传电台回传至地面飞行控制站；
（3） 根据航姿系统参数生成电机驱动参数，驱动稳定云台，保持稳定云台处于稳定水平（或垂直）状态；
（4） 数据存储，存储作业任务及航姿系统和自动驾驶仪的相关参数，并能够通过USB接口导入地面飞行控制站。
无人机航空遥感平台机载作业控制系统原理框图如图1虚线内部分所示，系统由MCU（微控制器）、电源、数据存储器、RAM扩展、4路串口扩展、1路USB扩展、步进电机驱动、CCD/相机驱动及电源共8个子模块组成。MCU是整个系统的核心部分，负责与其数据存储器、4路串口扩展、1路USB扩展及RAM扩展模块间的通信，并根据作业计划产生CCD/相机和步进电机的控制信号，控制相应的驱动模块。电源模块负责给各子模块供电。核心器件选用美国ATMEL公司开发的一款采用CMOS工艺低功耗、高性能的8位微处理器AT89S52［6］。该芯片片内集成8 KB ISP（In System Programmable）可重复擦写高密度非易失性Flash。全面兼容Intel 80C51的输出引脚及指令系统。从而不需要额外扩展程序存储器，同时也能快速的处理数据处理任务。
图1系统原理框图2系统硬件实现
2.14路串口扩展电路
4路串口扩展电路由TL16C554A芯片实现。TL16C554A是一个整合4个通道即TL16C550C的增强型异步通信组件（ACE）。它的每个通道能从外围设备或MODEM接收数据，实现串-并转换；同时，它也可以从CPU端接收数据，实现并-串转换。CPU可以在工作时随时查询每一个通道的完整状态，监视各种命令的执行及任何发生的错误［7］。
TL16C554A四通道异步通信组件可以置于交替于交替FIFO模式，该模式激活内部FIFO以使16个字节(加上接收FIFO中每个字节的3位误差数据)可以同时存储在接收与发送模式中。FIFO工作模式具有自动流控特点,可以极大地降低软件开销,并且可以通过RTS输出信号和CTS输入信号自动控制串行数据流来提高系统效率。所有逻辑均在片内以便使系统开销最小,使系统效率最高。这2个引脚端还用于对直接存储器访问(DMA)传送信号。每个异步通信组件都含有一个可编程的波特率发生器,可以将定时基准时钟输入除以1到216-1之间的任意数。
串口扩展电路原理图如图2所示，主控芯片AT89S52的高3位地址A15，A14，A13经译码器译码后可获得8路选择地址，其中74LS138输出Y0，Y1，Y2，Y3分别与TL16C554A的CSA，CSB，CSC，CSD相连,是各路串口的选通信号输入端。AT89S52的P0口与TL16C554A的D0~D7相连作为数据总线。P3.6和P3.7即图2中RD，WR分别控制TL16C554A的读写作为控制总线。单片机P0口经74HC573锁存器后可获得低8位地址A0~A7，将其中A0~A2与TL16C554A的A0~A2引脚相连，配合Y0，Y1，Y2，Y3可形成地址总行，从而完成单片机对TL16C554A芯片的编程及数据的读写。
图2串口扩展电路原理图TL16C554A的4路串行数据中断信号接至输入或非门输入端，或非门输出端接入单片机外部中断0输入端，入图2中/INT0。当串口有数据输入时TL16C554A能够产生中断信号输出以通知单片机外部数据输入而进行中断处理。为区分产生中断时具体是哪一路中断，将TL16C554的INTAINTD分别与单片机的P1.0~P1.3相连，在读取串口的中断数据前先读取P1.0~P1.3的状态以明确数据的输入源。
2.2USB接口扩展电路
USB口扩展由CH375芯片实现。CH375是南京沁恒有限公司生产的USB总线的通用接口芯片。它的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高。支持USBHOST主机方式和USBDEVICE/SLAVE设备方式。CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备,外部单片机需要编写固件程序按照相应的USB协议与USB设备通信。但是对于常用的USB存储设备,CH375的内置固件可以自动处理MassStorage海量存储设备的专用通信协议,通常情况下,外部单片机不需要编写固件程序，就可以直接读写USB存储设备中的数据。CH375和单片机的通信有2种方式：并行方式和串行方式［89］。USB扩展电路原理图如图3所示，CH375芯片设置为内置固件模式，使用12 MHz晶体。单片机P0口与CH375的D0~D7相连作为数据总线，译码器输出Y4与CH375的CS相连片选该芯片，单片机A0与CH375的A0相连，可选择CH375的地址或是数据输入与输出。当A0为高电平是D0~D7的传输的是地址，低电平时传输的是数据。P3.6和P3.7分别控制CH375的读写操作。CH375的INT接单片机的INT1输入端，当有数据通过USB口输入时产生中断信号，通知单片机进行数据处理。当CH375芯片初始化后并成功与主机连通之后，指示灯亮。
图3USB扩展原理图2.3步进电机驱动电路
稳定云台控制即为三自由度步进电机控制，即控制遥感传感器的俯仰角、横滚角和航向角使稳定云台保持水平（或垂直）状态。步进电机驱动由THB6128芯片实现，单片机只需输出步进电机运行方向和脉冲信号即可达到控制步进电机的目的。
THB6128是高细分两相混合式步进电机驱动专用芯片，通过单片机输出控制信号，即可设计出高性能、多细分的驱动电路［10］。其特点为双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.55 Ω，最高耐压36 V，大电流2.2 A（峰值），多种细分可选，最高可达128细分，具有自动半流锁定功能，快衰、慢衰、混合式衰减3种衰减方式可选，内置温度保护及过流保护。图4为航向角步进电机驱动电路，俯仰角、横滚角步进电机驱动与之相同。图中CP1与U/D分别为单片机给出的驱动脉冲与电机运行方向控制信号。M1，M2，M3为电机驱动细分数选择信号输入，由拨码开关人为控制。FDT1与VREG1分别为衰减模式选择电压与电流控制电压输入端。当3.5 V
CCD/相机驱动由单稳态触发器74LS221和光耦合器P521实现。74LS221既可以下降沿触发也可上升沿触发，且都可以禁止输出。其输出的脉宽通过内部补偿获得而不受外部电压和稳定影响，在大多数应用中，脉宽只由外接的时控元件决定。脉宽tw(out)：tw(out)=CextRextln 2≈0.7CextRextCCD/相机驱动电路如图5所示。图示参数的单稳态触发器高电平持续时间约为33 ms，可根据相机的实际曝光时间的需要，改变电路的充电时间常数RC来调节稳态时间的长短。图中Camera为单片机P3.5口，当其为下降沿时，触发单稳态触发器输出高电平，此高电平作用于光耦合器P521的二极管端，从而触发三极管端导通，进而触发相机快门。P521的输出端串接一个10 kΩ的电阻，防止导通时电流过大而损坏相机。
图5CCD/相机驱动电路2.5其他模块电路
数据存储模块由AT24C512实现，单片机P3.0，P3.1口分别与AT24C512的SCL、SDL端口相连，并接入上拉电阻，模拟I2C总线扩展64 KB E2PROM数据存储器。SRAM扩展由IDT6116SA芯片实现，扩展2 KB用于缓存单片机计算过程中的临时数据。系统输入电压为12 V直流电，电源模块采用7805与7805两片三端稳压器串接，降低单片稳压器两端的压降，获得平稳的+5 V电压。
3系统软件设计
系统主程序流程图如图6所示。
图6系统主程序流程图系统上电后进行系统及各器件初始化，包括单片机内部地址及数据初始化、TL16C554A芯片波特率及FIFO模式设定及CH375工作模式的设定。初始化后检查系统外围器件的工作状态，将其状态信息发送至地面站。系统通过自动驾驶仪不断获取当前的位置信息，判断是否到达作业任务起始点，若到达则根据预设的拍摄方式进行拍摄控制，拍摄方式包含等时间间隔拍摄和等距离拍摄。系统从航姿系统中获取当前相机的姿态参数，然后将当前照片信息数据打包通过数传电台发送至地面监控站，然后系统根据姿态参数计算出步进电机运行的脉冲数及方向，控制步进电机驱动模块调整相机姿态。当无人机到达作业任务结束点后，主程序结束。系统允许地面遥控操作。
4结语
通过实验证明本系统可以较好的满足无人机航空遥感平台机载作业控制的要求，可以协调电子吊舱的各个组件工作，控制相机的姿态，实时下传机载作业数据，使用的I/O口较少，USB接口的扩展解决了当前许多笔记本电脑不具备COM口的问题，在野外实验时亦可及时的处理作业系统中的照片信息数据。单片机仍还有较多的资源可以利用，可方便系统的升级，但同时也受到微处理器数据处理能力的限制。
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