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基于3G/4G多旋翼飞行器的视频传输系统资料下载
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2021-04-09
五斤麻辣油
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引言目前，多旋翼飞行器由于构造简单、操作简易，在影视媒体、物流传输、安全监控等领域有一定的应用价值，是当前研究的一个热点。多旋翼飞行器不仅能够完成飞行任务，而且可以完成航拍任务。一般的航拍系统模块主要是采用传统的模拟无线图传模块，或者是近些年兴起的WiFi模块。然而模拟无线图传模块不易数字化处理，WiFi网络可控距离短，以上方案只适合在对实时性和可靠性要求不高的某些领域内应用。随着3G网络覆盖越来越广、4G网络开始运营，使得3G/4G视频传输系统在多旋翼飞行器上的应用成为可能。1 多旋翼飞行器多旋翼飞行器的“多旋翼”是指飞行器支架由多个旋翼组成，比较常见的有四旋翼和六旋翼飞行器。多旋翼飞行器构造简单，支架一般为合金材料，质量小，飞行时由于动力学原理，具有较好的稳定性，所用能源为环保高能电池，飞行噪声小，能够垂直起降、稳定飞行在狭小区域内，并不受场地限制。正因为构造简单，硬件组装和调试也更加简易，初学门槛低，使得近些年来在航模和航拍领域流行起来。本方案采用的四轴飞行器又称四旋翼飞行器，是多旋翼飞行器中构造比较简单的。四个螺旋桨呈十字形交叉，对角旋翼转向相同，利用两组螺旋桨为飞行器提供动力。飞行器主控实时检测飞行器飞行姿态，利用PID调节算法和卡尔曼滤波算法调节四个电机转速来改变旋翼转速，从而使飞行器达到平稳飞行的状态。因为陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消，所以四旋翼能够很好地平衡旋翼对机身的反扭矩，非常适合静态和准静态条件下飞行。本系统飞行器主控采用STM32系列芯片，通过对外接的多种传感器检测，实时调整飞行器姿态，同时采用基于3G/4G网络的3G/4G通信模块进行视频传输。2 3G/4G视频通话原理3G、4G都是指移动通信技术。区别于传统的2G，3G采用了支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，3G的视频通话是基于3G324M协议进行的，该协议是一个无地址协议。3G324M指定了H.263作为强制基本标准，而把MPEG4作为视频编码推荐标准，AMR作为音频编码强制标准。[1]3G的理论传输速率高达几百kbps，它的高速处理能力在图像、音乐、视频流等多种媒体形式得到了体现。目前，3G用户数量急速增长，人们利用3G网络进行浏览网页、视频通话、电子商务等信息服务。3G技术成熟的同时，3G网络的建设也更加完善。目前，4G网络开始运营，而且4G网络具有更为强大的数据传输能力，其理论下载速率高达100 Mbps。在多旋翼飞行器的视频传输系统中，4G网络可以支持更高带宽的实时数字视频传输。3 系统组成本方案系统结构框图如图1所示。在多旋翼飞行器上，主要包含STM32微控制器构成的飞行器主控板、飞行器外围传感器模块、摄像头、云台、3G/4G模块，地面端是智能手机控制平台。飞行器主控采用STM32芯片主控制器。STM32系列芯片是基于ARM CortexM3内核的一种专门为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的。本方案采用的是STM32增强型系列芯片，它所要处理的信息包括陀螺仪、角速率传感器姿态数据、电调控制输出、遥控器控制输入及摄像头云台舵机控制输出。以STM32为核心的飞行器主控主要实现三方面的功能：①实时采集飞行器各类传感器的数据，经过卡尔曼滤波处理后得到相应的飞行姿态，并通过PID调节算法实时监控和调整飞行器的飞行姿态使之平稳飞行。②通过与SIM5215E模块的串口连接实现对模块的控制，包括启动和停止等操作。③通过地面手机端接收画面来调整搭载摄像头的云台，以调整航拍角度。摄像头视频信号通过固定在飞行器上的AK8856视频编码器编码后，将模拟视频信号转换成数字视频信号，数字视频信号通过SIM5215E模块，直接发送至手机接收端。[2]外围传感器模块主要包括陀螺仪、角速率传感器、无刷电调、电机、GPS、遥控接收器、电池、摄像头云台、舵机等。飞行器飞行姿态数据主要来源于陀螺仪二号角速率传感器，电池、无刷电调以及电机为飞行器提供动力；GPS支持飞行器定点返航，无需手动参与；摄像头云台和舵机为支持视频拍摄提供了角度切换的人性化操作。航拍摄像头对镜头成像要求很高，一个航拍视频的效果很大部分取决于所用的摄像头质量。普通的摄像头不仅太笨重，而且不适合航拍。本方案的摄像头采用了可光学变焦的摄像头，机芯为SONY EFFIO方案700线机芯，D1画质，效果远超普通航模摄像头。该摄像头控制方式简单，只需要连接收机控制，比例控制调焦，变焦精准快速，从1倍到10倍只需3 s高速对焦与遥控手动对焦间自由切换。摄像头开启逆光补偿，镜片采用双滤镜镜头，日夜自动切换滤光片。光线充足时，使用不感红外镜头，确保延时纯正；光线不足时，自动切换感红外镜头，保证夜视能力。本方案采用的3G模块为SIM5215E。该模块支持双频、四频切换，兼容GPRS，功率只有0.25 W，远小于传统的无线图传模块，工作电压3.3～4.2 V，质量仅有7 g，板载数码摄像接口，可直接与摄像头连接，并且支持MicroSD卡扩展。在视频传输之前，必须首先设置好传输视频制式。视频编码器采用的是AK8856芯片。该解码器支持将NTSC或PAL制式的复合视频信号转换为ITUR BT.601电平兼容的Y、Cb、Cr信号后，以601、VGA、CIF、QCIF和QVGA等格式输出。支持字幕、VBID和WSS在视频信号解码中从外部读出。3G/4G视频传输模块功能实现如图2所示，视频编码器AK8856接收摄像头数据，通过3G/4G模块进行视频传输。该编码器能够直接将摄像头的模拟视频信号进行处理，得到3G/4G模块识别的数字信号，而这也是普通的无线图传模块无法实现的。4 手机接收端应用软件实现本方案使用智能手机作为地面视频接收和遥控的设备。手机接收端软件是基于Android系统上的应用，主要实现的是视频通话和遥控功能。Android是Google公司发布的基于Linux平台的开源移动操作系统名称，也是目前最受欢迎的智能手机操作系统之一。手机接收端软件实现总体框图如图3所示。手机接收端软件提供了人性化的界面，支持各种操作，如局部放大、拍照保存等。软件内部包含面向3G模块驱动、应用层等接口，能够与3G模块直接进行底层通信。手机自带硬件视频编码和解码器，能够将智能手机内部的3G模块接收到的视频数据转换成图像在屏幕上显示。手机接收端软件功能流程如图4所示。[3]结语经过测试，本方案在保证飞行器的飞行稳定性的基础上，可以实现视频传输的实时性和可控性。本方案还可以根据需要，为软件增加一些新功能，例如增加飞行器的坐标定位功能，通过智能手机设定自动航行路线。由于4G网络较3G网络具有更大的数据传输带宽，图4手机接收端实现流程图如果用4G模块替换本方案中SIM5215E3G模块进行视频传输，手机端将会接收到更为清晰的视频。(mbbeetchina)
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