2021年03月11日 | 基于3G/4G多旋翼飞行器的视频传输系统

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。