無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：無人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺(tái)而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。為了滿足科學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調(diào)無人機(jī)電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴(kuò)展多路串口及USB接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，同時(shí)設(shè)計(jì)了相機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及三自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過無人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實(shí)驗(yàn)要求。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感；AT89S52；姿態(tài)控制

0 引言
無人機(jī)技術(shù)作為人類早期航空的重要組成部分，已有一百多年的歷史，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要西方國家都將其當(dāng)作未來空軍最具優(yōu)勢(shì)和前景的發(fā)展方向。近年來，無人機(jī)的應(yīng)用范圍已經(jīng)由最初的軍事領(lǐng)域拓展至民用領(lǐng)域和科研領(lǐng)域。我國無人機(jī)工業(yè)起步雖晚，但發(fā)展迅速．已步入世界前列?，F(xiàn)代社會(huì)中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的重要手段。隨著信息科學(xué)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各國對(duì)遙感數(shù)據(jù)的需求急劇增長(zhǎng)，然而對(duì)于許多發(fā)展中和不發(fā)達(dá)國家而言發(fā)展耗資巨大的航天遙感系統(tǒng)目前存在技術(shù)上和資金上的困難。將無人機(jī)作為航空攝影和對(duì)地觀測(cè)的遙感平臺(tái)為解決這種困難提供了一種新的技術(shù)途徑，為遙感應(yīng)用注入了新鮮血液。
無人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺(tái)而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的無人機(jī)并不是為遙感目的而設(shè)計(jì)的，同樣，許多遙感設(shè)備也不是專門為無人機(jī)設(shè)計(jì)的，其結(jié)果是導(dǎo)致了他們之間的集成困難，為了滿足遙感科學(xué)實(shí)驗(yàn)、定標(biāo)遙感與真實(shí)性檢驗(yàn)、遙感傳感器試驗(yàn)等遙感實(shí)驗(yàn)巨大需求，無人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)很好的解決方案。無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)無人機(jī)航空遙感平臺(tái)中電子吊艙的多組件的工作，實(shí)時(shí)對(duì)遙感影像傳感器進(jìn)行姿態(tài)控制，對(duì)于獲得良好有效的遙感數(shù)據(jù)起到至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足無人機(jī)航空遙感作業(yè)需求。該系統(tǒng)控制無人機(jī)按照預(yù)定的作業(yè)計(jì)劃任務(wù)或者接受人工遙控執(zhí)行遙感作業(yè)，協(xié)調(diào)電子吊艙中多組件的工作，與數(shù)傳電臺(tái)、自動(dòng)駕駛儀、穩(wěn)定云臺(tái)、航姿系統(tǒng)以及CCD／相機(jī)相連。
系統(tǒng)功能包括：
(1)接收數(shù)傳電臺(tái)命令，將命令分流到穩(wěn)定云臺(tái)和CCD／相機(jī)；
(2)接收航姿系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、俯仰、滾動(dòng)、航向等參數(shù)，將其存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中并由數(shù)傳電臺(tái)回傳至地面飛行控制站；
(3)根據(jù)航姿系統(tǒng)參數(shù)生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定云臺(tái)，保持穩(wěn)定云臺(tái)處于穩(wěn)定水平(或垂直)狀態(tài)；
(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)作業(yè)任務(wù)及航姿系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀的相關(guān)參數(shù)，并能夠通過USB接口導(dǎo)入地面飛行控制站。
無人機(jī)航空遙感平臺(tái)機(jī)載作業(yè)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1虛線內(nèi)部分所示，系統(tǒng)由MCU(微控制器)、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RAM擴(kuò)展、4路串口擴(kuò)展、1路USB擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、CCD／相機(jī)驅(qū)動(dòng)及電源共8個(gè)子模塊組成。MCU是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)與其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4路串口擴(kuò)展、1路USB擴(kuò)展及RAM擴(kuò)展模塊間的通信，并根據(jù)作業(yè)計(jì)劃產(chǎn)生CCD／相機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。電源模塊負(fù)責(zé)給
各子模塊供電。核心器件選用美國ATMEL公司開發(fā)的一款采用CMOS工藝低功耗、高性能的8位微處理器AT89S52。該芯片片內(nèi)集成8 KB ISP(In System Programmable)可重復(fù)擦寫高密度非易失性Flash。全面兼容Intel 80C51的輸出引腳及指令系統(tǒng)。從而不需要額外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，同時(shí)也能快速的處理數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 4路串口擴(kuò)展電路
4路串口擴(kuò)展電路由TL16C554A芯片實(shí)現(xiàn)。TL16C554A是一個(gè)整合4個(gè)通道即TL16C550C的增強(qiáng)型異步通信組件(ACE)。它的每個(gè)通道能從外圍設(shè)備或MODEM接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串--并轉(zhuǎn)換；同時(shí)，它也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并--串轉(zhuǎn)換。CPU可以在工作時(shí)隨時(shí)查詢每一個(gè)通道的完整狀態(tài)，監(jiān)視各種命令的執(zhí)行及任何發(fā)生的錯(cuò)誤。
TL16C554A四通道異步通信組件可以置于交替于交替FIFO模式，該模式激活內(nèi)部FIFO以使16個(gè)字節(jié)(加上接收FIFO中每個(gè)字節(jié)的3位誤差數(shù)據(jù))可以同時(shí)存儲(chǔ)在接收與發(fā)送模式中。FIFO工作模式具有自動(dòng)流控特點(diǎn)，可以極大地降低軟件開銷，并且可以通過輸出信號(hào)和輸入信號(hào)自動(dòng)控制串行數(shù)據(jù)流來提高系統(tǒng)效率。所有邏輯均在片內(nèi)以便使系統(tǒng)開銷最小，使系統(tǒng)效率最高。這2個(gè)引腳端還用于對(duì)直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)傳送信號(hào)。每個(gè)異步通信組件都含有一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，可以將定時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入除以1到216-1之間的任意數(shù)。