嵌入式计算机在无人机载小型多光谱成像仪中的应用

    1.1 课题背景 
　　为了发展我国的无人机遥感技术，国家863计划制订了“无人机海洋遥感监测技术”课题，研制一套无人机海洋遥感监测系统。系统中的无人机平台即表1中青岛天骄公司生产的SE-1型小型无人机。系统中的遥感设备——无人机载小型多光谱成像仪，由上海技术物理研究所研制。
　　1.2主控计算机的选择
　　无人机载小型多光谱成像仪包括光学头部和主控计算机两个组成部分。
　　光学头部由3台光轴平行的索尼XC-ST70CE黑白CCD视频摄像头组成，采用画幅式的成像方式同步获取三个波段图像。镜头前方安装有可根据任务需要更换的10纳米窄带带通干涉滤光片，通过滤光片的不同组合实现对海洋的溢油、赤潮、海冰等现象的监测。
　　主控计算机用于实现对光学头部的控制，并将光学头部获取的遥感图像采集存储起来。一般有两种构成方式：
　　一是基于单片机或单板机，其体积很小，功能简单。此类仪器有：美国NASA与Clark University合作研制的采用DuncanTech MS3100的多光谱成像仪，主控计算机采用工业级单板机[6];中国测绘科学研究院研制的UAVRS-II低空遥感监测系统，主控计算机采用89C52单片机[7]。
　　二是基于商用PC机，体积较大，功能强，带有采集卡，能够控制多路摄像头并完成A/D转换、采集、存储等功能。此类仪器有：美国Flight Landata公司的CAMIS采用半高度的立式台式机[8];美国*True Digital Imaging System采用Gateway 2000 PC机[9];中科院遥感应用研究所的航空多光谱数字相机系统采用PIII-866工控机[10]。
　　本课题使用的SE-1型无人机平台要求有效载荷体积小于350mm×250mm×240mm，商用台式机、工控机体积过大无法装入。如果采用单片机或单板机，则实现视频获取、采集、模数转换、存储等复杂功能带来很大的工作量，实现比较困难。
　　经比选，我们采用了PC/104+嵌入式计算机。它既具备PC机的通用性、可扩展性，又满足了无人机平台对体积、重量和抗震性的要求。在我们的多光谱成像仪研制过程中，2003年8月，我们读到了美国NASA设计制造的用于农业遥感的多光谱成像仪也采用了PC/104+嵌入式计算机的报道[11]。
　　1.3 PC/104+总线简介
　　PC/104+将PCI总线集成在PC/104结构中，是一种优化的、小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC/104+为单列三排120个总线管脚，有效信号线和控制线和PCI总线兼容。其电气和机械规范特点如下[12][13]：
　　1）小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为96毫米×90毫米;
　　2）堆栈式，针、孔总线连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔互咬相连，抗震性好;
　　3） 4mA总线驱动即可使模块正常工作，功耗低;
　　4）自我堆栈式连接，不需要母板。
　　1.4 成像仪主控计算机的构成
　　成像仪嵌入式主控计算机由主板、采集卡、电子硬盘、GPS接收器构成。
　　主板采用了中国台湾广积科技公司生产的IB104+。主板是嵌入式计算机的主体，集成了一台计算机的大部分组件，包括CPU及芯片组、内存插槽、显示芯片、10/100Mbps自适应网络接口、键盘鼠标PS/2接口、IDE硬盘接口、USB1.1接口等。内存zui大支持256MB SDRAM，目前安装了128MB。集成的CPU是全美达公司生产的Crusoe TM5400，主频533MHz，功耗低、发热量小，不需要安装散热风扇[14]。
　　视频采集卡是成像仪主控计算机的关键部件，采用了加拿大迈创（Matrox）公司生产的Meteor-II/Multi-Channel。该采集卡采用8bit A/D，支持33MHz PCI总线突发主控DMA传输，突发数据传输速率可达到132MB/秒;采样频率可达30MHz;信噪比47dB。支持对3路同步的RS-170或CCIR视频信号进行并行采集。采集卡支持实时的视频流至计算机内存的和显存的传输，为提高突发传输性能，板载有4MB SGRAM缓存[15]。
　　硬盘采用SUNDOM公司生产的使用NAND Flash存储芯片的工业级电子硬盘，容量为4GB。
　　我们为成像仪配置了GPS接收器。接收器固定在一块PC/104板上，通过串口与计算机主板连接。接收器采用12个通道的Conexant Jupiter TU60-D125模块，时钟精度20纳秒，位置精度为水平25米、垂直78米，速度精度0.1米/秒[16]。
　　1.5成像仪的自主控制软件
　　我们在成像仪主控计算机上安装了Windows 2000操作系统。控制软件采用Visual C++ 6.0编写，通过调用采集卡配套的开发工具函数库MIL-Lite7.5完成采集卡控制、图像采集、传输和存储等一系列功能[17]。
　　自主控制软件实现了如下功能：自启动、自主运行;自动控制多路摄像头曝光、采集、存储;根据上一幅图像的直方图自动调整电子快门;GPS接收、解码计算;与无人机飞行控制计算机的通讯;执行来自飞行控制计算机的开始采集、停止采集、改变采集间隔、关机等指令;记录姿态和位置数据;向飞行控制计算机报告采集状态、剩余磁盘空间。
　　1.6 飞行实验
　　2003年9月，成像仪在常州洪庄机场参加了有人机载搭载实验，获取了常州市区单波段航空遥感图像。
　　2004年11月，成像仪在大连周水子机场参加了3个架次有人机搭载实验，获取了大连庄河沿海地区1614幅三波段航空遥感图像。
　　2005年12月，成像仪安装在SE-1型无人驾驶飞机上，在胶南沿海完成了无人机载地面滑跑实验。
PC/104+嵌入式计算机体积小、重量轻、抗震性好，非常符合小型无人机载的要求。同时，它具备良好的通用性和可扩展性。它支持Windows系列操作系统，应用软件开发方便。市场上PC/104+扩展卡产品丰富，如采集卡、IEEE1394卡、SCSI卡等，使PC/104+嵌入式计算机易于功能扩展，开发周期短，应用范围广泛。