通过树莓派从近太空发回实时图像(一) [翻译转载]

原文地址：

http://www.daveakerman.com/?p=592

越来越多的人喜欢访HAB(放高空气球)，爱好者使用标准气象气球将小设备（一般100克到1公斤）发送到近太空（大概距地面30公里），一般会携带跟踪设备（这样可以在飞行过程中知道气球的位置），并且通常会带一些传感器（比如温度、压力等），有的还携带摄像机或照相机，将照片保存在SD卡中，方便之后取回。 跟踪器的作用是从GPS接收器读取作为，可能的话，读取传感器的内容，按照一定的格式通过低功率无线设备发回地面。飞行必须通过预定的路线，保证安全的情况下飞行，比如说避开机场和人口密集地区，并申请许可，比如在英国需要的到CAA的许可。我们使用70厘米无线频率（大概是434MHz），使用RTTY(无线电报）发送遥感信息到一些地面由其他爱好者建的接收站。从接收器接收到的遥感信号都会发送到中央服务器，并画出实时的地图，只要连上英特网大家都能看到。这个系统运行的非常好，已经被用来跟踪800公里距离的小设备，但是发射器必须低于英国法律规定的10mW。

五月初我接收到我第一个树莓派计算机，在我准备利用飞行计算机之前，已经放飞了好几次高空气球。前几次基本都是用Arduino迷你板，因为它很小，轻到几乎没有，简单，并且很省电。对比Pi，感觉它没有任何优势。当我看到它的usb口可以提供快速、简单、廉价网络摄像头，也就是说我可以提供实时地照片(SSDV)，这个大概尝试的人不多。

近太空是个比较恶劣的环境 - 不到1%的空气，温度低至零下50度，任何一个东西出问题，他就会一直出问题。无线链接是单向的，也就是说没有机会远程做类似"sudo reboot"的操作，让它关机并重新启动！下降过程非常暴力，所以即使是SD卡插座也是一个潜在的失败因素。PI比我们通常的主板复杂，没有SD卡，没有USB，甚至没有操作系统，所以额外的电力和功能都是由代价的，第一个是增加大约60-500毫安的电流，意味着更高的功耗。人们一直都担心近太空的低温，如果你的设备只靠几瓦的电力驱动，这也许就不再是个问题。我反而更担心设备中间变得太热，所以我在PI上加了散热片。

我用特殊的热粘合胶把散热片粘在USB/以太网芯片上以及3.3v稳压器上。他们通常都会变暖但是不会太热，我担心在1%稀薄空气中（对流太少）他们会变得太热。你还可以看到有两条线直接连接5V,比使用一个连接器，焊接更可靠一些。另外一个修改是拆除了S2的视频接口，可以增加空间容纳我的扩展板。最后的修改是降低USB保险，因为我的摄像头电流需求超过其额定值。然后我增加了一块板来安装Radiometrix NTX2无线发射器来发送遥测及图像到地面，并连接到一个简单的GPS接收器上的线尾，这样他可以远离我的发射器。

最后的一项是合适的电源。劲量锂AA电池是显而易见的选择，因为它们可以在零下40摄氏度条件下工作到，而且适合大电流（500mA以上的PI加上网络摄像头）。在30公里上空，通常会降到零下50度，即使只有最少绝缘，电池自身发热也能保证其在可控范围。PI需要5V电压，所以我用6个AA电池加一个外部的低压降线形稳压器给它提供足够的电压，直到没电为止。稳压器大概有3瓦，所以需要一个散热片。对于小负载来说，这个热量太高，因为这是绝缘体。当然你也不想它变得太冷，因为这样也会影响其它部件。我订购了一些开关稳压器，但是在我放飞之前还没到货，我只好用线性稳压器。




未完待续

通常，NTX2通过GPIO口发送1或者0，以一定的速率发送无线电报(RTTY)，比如每隔20ms，按照50波特率。如果是在AVR或者PIC单片机上，这个非常容易，只需要设置延时或者时间中断。但是Pi运行的不

是实时操作系统，我无法控制一个正确的时序，特别是当系统正在忙于拍照。还有其它的方式，但我选择了最简单的方式，通过串口来控制NTX2。RTTY使用正常的RS232串行标志和占空以及停止位，所以

为什么不用硬件的UART来做计时呢？没有花太多时间写了一小段C程序来以4800bps打开串口，读取GPS数据来获取经纬度及海拔，然后关闭端口，并重新以300bps发送电报（我发现如果不先关闭再重新打

开串口，经常不太稳定）。当然，做这个的时候，需要关闭串口的登陆提示以及内核消息，但总之还是比较简单。我将一个标准的Debian镜像写在一个4G的SD卡上。

为了获取实时的图像，我只能给debian打了一个补丁，终于能够将摄像头识别为/dev/video0.我尝试了好几种摄像头，最后选择了罗技德C270，他能够提供比较合理的质量、亮度，并且不贵（如果所有

设备都找不回来的话）。我尝试了好几种图片获取程序，最后觉得fswebcam最好。别忘了，无线系统带宽很低，通常要飞2个小时，所以我们没有时间发送大图片，所以没有必要选择非常好的摄像头和高

解析度。我权衡了质量和传输速度，觉得432x240的分辨率，50%压缩率比较适合。 我测量了摄像头电流，空闲时50mA，拍照时大概是250mA，所以需要缩减USB保险（最大140mA）.写了一个脚本每30秒拍

张照，保存在SD卡上，跟踪程序会选择最好的照片（最大的文件）进行传输。每个选中的文件会转化成适合下载的格式（分成块，每块都带FEC校验）,每次发送一块。我把图片数据分散在无线电报中-每

个电报中包含四个图像数据包。这是PI的自拍照：


经过完整的试验和测试，取得CAA的许可，我作了一个盒子，里面装了Pi、摄像头、GPS、电池和稳压器。我不想使用太多绝缘体，这样才不会使里面太热，所以我用了10mm的EPX材料。低于这个厚度的话

，可能会变形。

升空那天，根据风向，预计会按照S型轨迹飞行，从我家（West Berkshire）附近的升空地点，先向南，再向东，然后一直向北，直到在高海拔的地方转向西面。下降的时候，会按照相反的顺序改变方向

，最后降落在Chilterns附近。当天天气不错，应该不会出现意外，我开始给气球充气。我申请了可以飞两次，所以我的朋友兼爱好者Anthony Stirk可以放飞他做的跟踪器。因为有3个跟踪器以及两次飞

行许可，我们选择了升空一个带小光线跟踪的大气球，另外一个气球带上了Anthony的大跟踪器和一个GoPro高清摄像机，然后把Pi放里面。经过一番思考，我们决定把第三个跟踪器作为备份，确保GoPro

能够找回来。


放飞的那天终于来了，同时也等来了雨，因为天气预报是阵雨，我们就到升空地等到变成了毛毛雨。我们先放飞了带着小负载的大气球，这样Anthony可以尝试记录坐标。然后我们放飞了后面这个复杂的

东东，我的Pi在最上面，然后是GoPro，最后下面是备用的Buzz跟踪器。这张是飞行前的Pi：


和即将升空的气球：

整个一串东西，包括降落伞和3个设备大概1kg左右（何我最初试验相同），从气球到最低的设备大概有60米长。升空非常有趣，最开始风很小，几乎是垂直升空。后来风稳定了，气球按照一个角度升空

，它可以顺利的按照我能达到的最快速度升上去。直到顺利升空我才放松下来。这巨大一串东西冲入云中，让人印象非常深刻。


升空地在我住的村庄，之后我们开车回到家中，在“任务监控中心”看它传回来的照片。预计的落地点不远，我没不需要急急忙忙的去追赶，我们有足够的时间回来看照片并吃点东西。

whtech 发表于 2013-1-26 21:25
为啥不能回复啊？

你不是回复了么？

树老大 发表于 2013-1-26 21:27
你不是回复了么？

我回复后续的内容，说需要审核，发了也看不到。回复几个字，反而可以了。

whtech 发表于 2013-1-26 21:31
我回复后续的内容，说需要审核，发了也看不到。回复几个字，反而可以了。

如果提示审核的话，那就等待审核。不要重复提交哦。

树老大 发表于 2013-1-26 21:33
如果提示审核的话，那就等待审核。不要重复提交哦。

删了回复，还被扣分了，

whtech 发表于 2013-1-26 21:37
删了回复，还被扣分了，

不是故意删除，是为了让后面的内容看上去更连贯，是个整体。
给你加分不上吧。

第一架飞行器是海拔高度尝试，根据经使用的制造商和大小，要不在27公里之前就爆炸了，要不超过预计范围，跑到了40公里之外。实际上，前几个地方的海拔高度纪录表都是用这个牌子和尺寸。Anthony一直就在看紧紧盯住屏幕看遥感数据。

那个时候，我当然更关心树莓派到底运行得怎么样。GPS位置还显示在发射场地，这是个明确的干扰GPS信号。我还没确定是不是，但GPS接收器和天线非常靠近Pi和摄像头。下次我会增加一些距离。然而图像很好的传输过来了，不仅通过我家的天线和接收器，也可以通过全国各地的其他接收机接收。气球升的越高，图像的质量更好，越来越多的接收器接收到了更好的图像，甚至远在北爱尔兰（远在500公里之外，对于10mW已经很不错了）。现在饼型飞行还没完全出来。下图是一个饼图显示了不同的监听器接收到的图片数量。

第一架飞行器还在不断的攀升，最终达到了第4区，只比世界纪录低了300多米。一方面我希望它飞得更高些，一方面我很高兴它没有在第二区就挂掉。然后，气球爆炸了，最初下降还算正常。但是多数气球还挂在上面，成功地变成了一个降落伞的形状，速度减到大概2米每秒的速度，在这个高度，正常速度应该是这个的5倍以上。谈到主要的飞行，它一张一张发回的图像，没有出现任何错误，而且一张比一张更好，直到飞到最后越来越高。


我们预期它在34公里处爆炸，但很明显气球不完全符合我们的计算。它经历了34公里，35公里，最终在40公里处爆炸（准确的说是39994米，在海拔记录里面排12位）。对于一个中等大小带着1公斤负重的气球来说，已经非常惊人了。气球爆炸了，也就是该我们取出追车了，两辆车都配备了天线、无线电接收器、解码和底土，还有3G网络。预计降落点靠近Didcot,所以我们前往那里，然后停车确认最新的预测降落点。设备最终降落在密尔顿高地，我们离它不远，离发射场只有几英里。令我们惊讶的是，有一个接收器离它非常近，接收到了实时的图像。过了一段时间，大家都能看到设备落到了长长的草丛里面。


Anthony最先从他的车里看到设备，在球场边上的草丛里。得到俱乐部的允许，我们拿回了所有3个设备和降落伞。

同时，前一个飞行物还在下降，但非常慢。只有我们预期的1/5.我们不知道具体的时间，但是我们知道已经被降落伞接管。然后在最后的几公里，它急剧下降（可能是乳胶撕毁了），最后降落在牛津北边的一块地上。这里的海拔不太常见：

花了我们不断地时间来找到它的位置，但它似乎在一个比较难靠近的地方。随着雨越来越大，Anthony 决定收工，而不是找一个只值50镑的跟踪器。然后他开走了。我上网告诉其他在UKHAS聊天室的爱好者我也要回家了，“它就在A34附近的停车场”，有人告诉我，“很容易就拿到”，“雨5分钟就停了”。嗯，好象没有那么糟，我往北开到A34，然后回到南边的停车处。

嗯，上面的三句话，只有第1条是正确的，只离停车处155米。但是暴雨一直在下，我只能在车里等。最后，我决定出去了，爬过树木和灌木丛去找，前面有片五尺高的玉米地。已知没找到那个设备。失败后，我走到车边，用我的anroid手机打开HamGPS软件来确定设备的位置。花了很多时间才到哪里，我感觉我在演“疯狂的戴夫”，当我到达目的地，我钻进了设备和气球中间的尼龙线。这的确看不到，直到我爬到最顶上，最终成功拿到。

所以，一切的一切，伟大的一天。所有的4个跟踪器全部回收，并且我们得到了令人惊叹的图像。如果有兴趣，可以访问UKHAS网站。更多的图像和视频，请访问：


All SSDV images

Photos from the day

pAVA Inflation Time-Lapse

Burst video from the GoPro

Launch video of PIE1, uAVA and BUZZ8

Landing video from the GoPro

Recovery of PIE1, uAVA and BUZZ8

Anthony’s Write-Up

感谢Anthony Stirk开车从阳光明媚的约克郡到最严峻最黑暗的Berkshire，并且提供GoPro HD相机， 感谢Phip Heron提供我们摄像头成像和编码软件，感谢Nick提供帮助，当然还要感谢我的妻子Julie让我们吃饱喝足，而且帮我开车，而我只需要做技术方面的东西。

这篇文章粘贴在气象气球。

感谢，十分感谢 ，有好的E文基础，做这样的事儿实在是意义重大。是你拉近了普通技术爱好者与高级技术之间的距离，让我们有机会窥看到更高级的技术、更有意义的创造……再次感谢你的工作，并支持你……

原以为这个东西比较好弄，现在看来在国内还真不是太容易弄成……