小型旋翼巡线飞行器视觉感知系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及视觉感知系统领域的研宄，特别针对小型飞行器上搭载的图像处 理和传输系统，我们就四旋翼飞行器平台，提出了一种低功耗、高效率无线传输图像的方 法。共分为两个系统，第一个系统是图像采集发送系统，这里我们采用STM32F407型号M4 内核ARM微处理器，通过DCMI相机专用接口和DMA数据传送方式，高速自动地将0V7670彩 色摄像头的数据存入内存中，可以根据该数据来控制飞行器，还可以通过NRF24L01无线模 块发送出去；第二个系统是图像接收显示系统，利用同样的微处理器通过NRF24L01接收无 线图像数据，并通过FSMC方式快速刷入TFT彩色显示屏，定时更新飞行器拍下的图像。该 设计的特点是，在保证传输数据的正确率前提下，能尽可能降低功耗，提升传输速度。另外， 由于工作在封闭式网络中，两个系统不易受其他信号干扰。
【背景技术】
[0002] 图像无线传输包含图像采集和无线发射两种技术，是物联网发展时代的一个重要 组成部分。通过图像无线传输，人们或机器可以方便地获取远程的实时画面信息，与此同 时，使用此技术的设备又具有良好的移动能力，方便人们调试与控制远程设备。
[0003] 对于机器人而言，其机械复杂度和控制方法多元化发展比较迅速，因此机器人所 依赖的传感器也亟待提升。众所周知，与其他信息相比，图像所含信息最为形象与丰富。目 前，有线采集图像技术非常成熟，包括串口、USB、火线、百兆网和千兆网，无线视频传送技术 也很先进，有WLAN、GPRS等。然而，对于智能建筑，飞行器和协作机器人群来讲，我们往往需 要一种体积小、功耗低、性能稳定、对外界网络依赖性低、抗干扰性强、成本低的图像无线传 输系统。随着微控制器和数字信号处理器的飞速发展，现在比较容易设计出具有上述特点 的图像无线传输系统。
[0004] 图像无线传输的意义非常重大，它可以用在远程监控、飞行器上的航拍、医学成像 等领域，主要是将人们难以观察或需要长时间观察的地方，以无线的方式将采集的图像数 据发送回来。本文就小型四旋翼飞行器平台，设计出一种软硬件可以同时搭载在飞行器上 的图像采集发射系统，以及图像接收显示系统，用来实现快速、稳定的传输拍摄画面的功 能。 【实用新型内容】
[0005] 如图1所示，是小型四旋翼飞行器平台模型，本实用新型即是为此平台设计图像 感知系统，飞行器上装有图像采集与发射系统，地面手持机作为图像接收显示系统，实现飞 行器航拍的画面传送。
[0006] 本实用新型特征在于将图像采集发射系统要与飞行控制系统合并在一个微控制 器里，所以本系统在设计过程中充分考虑了对飞行器微控制器的使用率以及程序的逻辑情 况，在避免对控制程序产生干扰的前提下，实现图像的高效采集和无线传输。
[0007] 考虑到控制算法的复杂性，以及图像获取处理的大数据性，所以需要使用主频高、 内存大、性能稳定的单片机来实现，经过比较，发现意法半导体的stm32f407单片机符合要 求，主频高达168MHz，FLASH存储区有1M，完全容纳下0V7670彩色摄像头获取的一帧数据。 另外，无线通信选用增强型的NRF24L01无线模块，因为其传输距离远，比特率高，适合图像 的传输。另外，电脑或者手机都可以作为地面观测站来显示航拍的图像，因此，在电脑上位 机和手机APP应用方面也做了一些研宄。
[0008] 一种小型旋翼巡线飞行器的视觉感知系统中的图像接收显示系统，其特征在于利 用同微处理器通过NRF24L01接收无线图像数据，并通过FSMC方式快速刷入TFT彩色显示 屏，定时更新飞行器拍下的图像，本设计的优势是在保证传输数据的正确率前提下，能尽可 能降低功耗，提升传输速度。
[0009] 本实用新型所述的一种小型旋翼巡线飞行器的视觉感知系统，与现有技术相比， 本实用新型通过把视觉感知系统合并在飞行器控制程序里，合理设计实现融合，抗干扰能 力强。图像接受显示系统能低功耗快速接受数据，并通过设计数据压缩解压算法，提高显示 速率。本系统实际运行中稳定可靠。本实用新型可用于电力线路的巡线小型飞行器，相比 现行巡线飞行器，本设计成本低，设计小巧，运行稳定可靠。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型的小型四旋翼飞行器平台模型
[0011] 图2是本实用新型的图像发射与接收系统的架构
[0012] 图3是本实用新型的晶振电路
[0013] 图4是本实用新型的模式选择电路
[0014] 图5是本实用新型的复位电路
[0015] 图6本实用新型的AMS1117-3. 3V稳压电路
[0016] 图7本实用新型的LM2576-5V开关稳压电路
[0017] 图8本实用新型的0V7670摄像头的DCMI连接电路
[0018] 图9本实用新型的TFT彩色显示屏连接电路
[0019]图10本实用新型的图像采集发射系统的软件流程
[0020] 图11本实用新型的图像接收系统的软件流程
[0021] 图12本实用新型的图像压缩解压流程图
[0022] 图13本实用新型的图像感知系统合并在飞行器里的流程图
【具体实施方式】
[0023] 为了使本领域的技术人员能够实施本实用新型的技术方案，下面结合附图2对本 实用新型的【具体实施方式】和详细的操作过程作出进一步的描述。设计过程则分为两个阶 段，第一个阶段是硬件制作，包括电路板的制作，和底层驱动的编写；第二阶段是软件制作， 包括逻辑功能的实现和上位机程序的编写。在最终阶段，将会对所有的硬件和软件，以及上 位机等平台综合应用，进行联调测试，以实现设计的要求。本设计完成后，与飞行器的控制 程序进行了合并，并经实际飞行实验，可以得出结论：该图像感知系统实现了图像的无线传 送功能，并且完成了相关的图像处理算法。
[0024] 1硬件电路设计
[0025] I. 1硬件电路系统整体框图
[0026] 本视觉感知系统的设计分为两部分，一部分为硬件电路设计，另一部分为软件程 序设计，在本章我们将根据调试通过的实际电路，对硬件电路的设计过程做出详细的说明。 如图2所示，硬件电路又分为两个部分，分别为飞行器搭载部分和手持机部分，飞行器搭载 部分主要连接了 0V7670彩色COMS摄像头、0. 96寸OLED显示屏、蓝牙模块、NRF无线收发模 块等，同时改图给出了连接的接口方式；手持机部分则相对简单些，主要有2. 4寸TFT彩色 显示屏和NRF无线收发模块等。
[0027]I. 2ARM微处理器最小系统设计
[0028] L2.ISTM32F407VGT微处理器简介
[0029] 本设计的系统包含图像接收发送功能，并且飞行器的控制程序也由同一个微控制 器实现，因此，在微控制的选型上我们对比了不同的单片机性能以及成本，综合考虑，我们 选择了STM32F407VGT微控制器。它比普通的单片机的性能优越很多，拥有丰富的外设功 能，与此同时，它又比性能相近的TI微控制器价格低，非常适合用作低成本、高性能的飞行 器控制芯片。
[0030] 总的来说，STM32F4微处理器同时具有单片机和DSP的特点，即拥有单片机的低门 槛、C编程、高性能中断、低功耗的特点，又具有DSP的单周期乘加、浮点运算、饱和运算等特 点，可以很好的满足图像无线传输系统的设计，因此被选作本设计的核心处理器
[0031] 1.2. 2复位、晶振、模式选择、电源电路
[0032] 外部时钟源可以由两部分提供，一个是高速外部时钟，通过接入8MHz的无源晶 振，单片机利用PLL倍频技术将总频率提高到168MHz，再通过分频来控制不同AHB总线的频 率。另一个是低速外部时钟，所用晶振的值为32. 768kHz。
[0033] 在设计晶振电路时，要把晶振和电容放置的靠近芯片引脚，这样可以减小输出的 失真，同时缩短芯片启动时间。时钟电路如图3所示。图4所示为模式选择电路，STM32F407 的启动模式有三种，通过两只启动引脚来控制，这一功能与手机或电脑启动模式类似，用于 安装系统或者刷固件，方便产品的售后开发与升级。单片机的复位电路与普通电路一样，拉 低单片机的复位引脚使单片机复位，如图5所示。
[0034] 由于该单片机的供电电压为3. 3V，我们采用AMS1117稳压芯片，并加以简单的外 围电路即滤波电容，使其输出稳定的3. 3V电压。该AMS1117可以将5V电压稳压成3. 3V 输出，5V电源可以由下载器或电池稳压得到。电路如图6所示。
[0035] L 2. 3最小系统PCB设计
[0036] 原理图的设计和PCB图的设计都是用Altium Designer软件完成的，最小系统的 原理图经过分析并确定无误后，则可以将各器件的封装导入PCB文件里，进行布局和布线 操作，最后再做滴泪和敷铜处理，滴泪可以使焊盘连接牢固，敷铜则可以降低信号干扰。制 作完的PCB文件发往工厂，工厂在两天时间内寄回电路板，通过简单的流水灯测试系统板， 验证无误。
[0037] 特别注意的是，在该最小系统板的布局中，8个电源滤波电容应该分别分布在6个 VCC引脚处，这样可以最大程度的减少电压波动对芯片运行的影响。
[0038] 1.3图像采集发射系统的硬件电路设计
[0039]I. 3.I5V开关电源电路
[0040] 在设计5V电源电路时，我们考虑了LM7805线性稳压电源和LM2576开关稳压电 源两种方法，经对比得出以下结论：线性电源调整率好、纹波小、对外干扰小，但是转换效率 低，多余的能量会转化成热能，对器件寿命有很大影响，另外对飞行器的电池电能有较大损 耗。LM2576构成的开关电源电路，利用的BUCK电路原理，提供降压开关稳压器的功能。该 稳压电路产热少，可以提供3A的负载电流，线性和负载调整性能良好，其输入电压范围广， 最高达40V-60V，在指定输入范围内可以保证输出误差在4%以内。
[0041] 综合考虑到飞行器的电池电压可能受无刷电机影响而波动，以及开关电源电路的 高效性，产热量少的有点，我们选择了LM2576芯片设计5V稳压电路，经实际测试，该开关稳 压电路可以较好的将11.IV锂电池电压输出为5V电压，电路如图7所示。
[0042] L3. 2 0V7670 摄像头电路
[0043] 目前的摄像头芯片主要分为两种，一种是CXD(电荷耦合器）传感器，它是由许多 光敏元件构成，成矩阵型排布的元件能将照射到