基于無人機光伏巡檢的視頻圖像傳輸系統(tǒng)設計

曹陽 孟茁

摘要：隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機在各個領域得到了廣泛的應用，其中無人機光伏巡檢系統(tǒng)就是無人機的重要應用。視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸功能是無人機光伏巡檢系統(tǒng)的重要功能之一，設計了一套視頻圖像傳輸系統(tǒng)，主要包括視頻圖像采集、視頻圖像的編解碼、基帶信號處理和無線信道的收發(fā)。通過無人機上的攝像頭進行視頻圖像的采集，視頻編碼芯片進行編碼，利用基帶信號處理技術(shù)將編碼通過無線信道發(fā)送到地面接收端，在接收端利用解碼芯片進行解碼并顯示視頻圖像。

關(guān)鍵詞：無人機；視頻圖像傳輸；OFDM

中圖分類號：TN919文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）15-62-4

0引言

近年來，隨著無人機技術(shù)的高速發(fā)展，人們對于無人機產(chǎn)品的關(guān)注視線也有所改變，由以往的只關(guān)注無人機的控制與操作轉(zhuǎn)變到更加關(guān)注無人機的視頻圖像傳輸性能。隨著集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，視頻圖像傳輸技術(shù)也得到了井噴式的發(fā)展，同時對于視頻圖像傳輸技術(shù)的需求和應用也更加廣泛。傳統(tǒng)的視頻圖像傳輸技術(shù)有2種：一種是利用模擬數(shù)據(jù)進行視頻圖像的傳輸，缺點是傳輸距離有限、傳輸質(zhì)量受環(huán)境影響及使用起來不方便；另一種是借助于計算機的視頻圖像處理系統(tǒng)，將視頻圖像信號進行壓縮處理后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給異地計算機，缺點是體積龐大。為解決上述問題，設計了一款無人機光伏巡檢系統(tǒng)，設計主要包括硬件設計和軟件設計，硬件設計實現(xiàn)了視頻圖像數(shù)據(jù)的采集與編解碼，軟件設計實現(xiàn)了誤碼率低的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和簡單的操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)達到清晰度高、傳輸距離遠、方便易攜的要求。

1系統(tǒng)總體設計

基于無人機光伏巡檢的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為2個部分：無人機上的視頻圖像發(fā)送端和地面上的接收端。該系統(tǒng)的工作流程如下：將攝像頭放置到無人機上，利用無線通信信道實時將攝像頭拍攝的高清視頻圖像發(fā)送到地面上的接收端，并利用地面上的視頻顯示設備將視頻播放出來。由于不同類型無人機的承重能力和續(xù)航能力不同，要求系統(tǒng)具備體積小、功率低及傳輸距離遠等特點。針對上述特點，系統(tǒng)的設計方案如下：將無人機上攝像頭拍攝的視頻圖像通過視頻圖像編碼模塊進行編碼，然后將編碼碼元經(jīng)過數(shù)據(jù)通信接口傳送到地面上的視頻圖像解碼模塊進行解碼，最后將解碼后的視頻圖像輸出到對應的數(shù)據(jù)接口。

1.1系統(tǒng)框架

由于現(xiàn)有通信系統(tǒng)的性能有限，無法直接傳輸大量高清視頻數(shù)據(jù)，所以需要對視頻數(shù)據(jù)進行編解碼工作，在發(fā)送之前進行數(shù)據(jù)的編碼壓縮，在收到數(shù)據(jù)后進行解碼工作。視頻數(shù)據(jù)進行編解碼通過軟件和硬件2種方法來實現(xiàn)，硬件方式進行編解碼工作主要是為了保證系統(tǒng)的可靠性、實時性和靈活性，所以系統(tǒng)是由一個負責編解碼的視頻處理芯片完成，該芯片具有高帶寬和容量大的特點。存儲芯片的選擇主要是由于視頻數(shù)據(jù)量較大，要對視頻處理芯片進行存儲擴容，實現(xiàn)對視頻圖像數(shù)據(jù)的緩存，最后通過無線信道將視頻圖像數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

1.2硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)要實現(xiàn)從原始視頻采集傳送到地面接收端，首先采集視頻圖像信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并對視頻圖像數(shù)據(jù)進行編碼，最后通過無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件設計大概可以分為視頻圖像采集單元（依托攝像頭進行視頻圖像數(shù)據(jù)的采集）、視頻圖像編碼單元（負責視頻圖像數(shù)據(jù)的處理）、存儲單元（負責視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲）、基帶信號處理單元、射頻收發(fā)單元、主控單元及視頻顯示單元。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)可分為位于空中的編碼單元和位于地面的解碼單元2個部分。為了降低系統(tǒng)延時，采用硬件進行編碼；減少誤碼率采用OFDM進行調(diào)制[1]；操作系統(tǒng)選用Linux，同時也可以降低開發(fā)難度[2]。整體架構(gòu)由環(huán)境平臺和應用平臺搭建組成，主要目的是實現(xiàn)對各個單元的驅(qū)動和基帶信號處理。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1硬件整體架構(gòu)

硬件架構(gòu)主要由視頻圖像收發(fā)單元、視頻圖像編解碼單元、中央處理單元、數(shù)字接口和供電單元5個部分組成，硬件電路如圖2所示。從圖中可以看出，視頻圖像收發(fā)單元通過柔性電路板與中央處理單元相連，視頻圖像編解碼單元通過板對板接口與中央處理單元相連，供電單元通過板卡上的電源接口供電，供電電壓為12 V和5 V，數(shù)字接口放在中央處理單元上，數(shù)字接口包含網(wǎng)絡接口、RS422接口和RS232接口。

中央處理單元電路主要包括以下幾個部分：

①中央處理電路：系統(tǒng)綜合考慮各方面因素，選用ZYNQ-7035平臺，F(xiàn)PGA部分實現(xiàn)數(shù)字接口的設計與基帶信號處理，ARM部分實現(xiàn)控制與管理。數(shù)字接口部分增加了電平轉(zhuǎn)換芯片，以實現(xiàn)TTL電平與接口1.8 V電平的轉(zhuǎn)換[3]。

②時鐘電路：系統(tǒng)的工作時鐘有33.333 333 MHz，125 MHz，25 MHz，27 MHz幾種，利用時鐘選通器同時提供多個時鐘信號。

③電源電路：系統(tǒng)需要供電的電壓有1.2 V，1.8 V，1.0 V，2.0 V，2.5 V，3.3 V，F(xiàn)PGA和ARM分開供電，選用的電源芯片主要有LDl085C，LM339，LTM4644，TPS74401，LTM4616，MAXl510等。

④存儲電路：系統(tǒng)配置2片4 GB的DDR3 SDRAM芯片，布線時要求等長對稱，按照樹狀結(jié)構(gòu)進行布線。還配置3片QSPI Flash存儲器，1片參數(shù)存儲器EEPROM。

⑤復位電路：系統(tǒng)的復位電路使用1路MAX708SESA芯片。

2.2視頻圖像編解碼單元電路

視頻圖像編解碼單元用于實現(xiàn)無人機視頻圖像的傳輸，實現(xiàn)發(fā)射端視頻圖像的編碼和接收端數(shù)字碼元的解碼。系統(tǒng)的視頻圖像編解碼采用了Analog Devices Inc公司的實時JPEG2000硬件編解碼芯片ADV212，芯片專門應用于視頻圖像的壓縮，壓縮可以提升視頻圖像的畫質(zhì)特性，并且可實現(xiàn)計算密集型功能，具有配備兼容性強、低延遲的特點[4]。系統(tǒng)設計視頻圖像支持復合同步視頻廣播信號和PAL制式，所以系統(tǒng)中需要ADC和DAC轉(zhuǎn)換芯片，選用的ADC為ADV7181D，DAC為ADV7341，這2款芯片質(zhì)量好、支持多種視頻格式的解碼[5]。

2.3外部電源單元

外部電源電路包括5 V，12 V的電源轉(zhuǎn)換模塊，將輸入電源通過DC-DC轉(zhuǎn)換為5 V，12 V，為整個系統(tǒng)提供外部電源。

2.4數(shù)據(jù)接口單元

數(shù)字接口電路包括網(wǎng)絡接口、RS232接口與RS422接口。網(wǎng)絡接口采用RJ45變壓器、千兆以太網(wǎng)MAC接口和PHY Realtek RTL821 1FI實現(xiàn)；RS422接口采用芯片SV65HVD09實現(xiàn)；RS232采用芯片SN65C3232E實現(xiàn)。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1軟件整體架構(gòu)

系統(tǒng)軟件由主控單元、視頻處理單元、基帶信號處理單元和無線信道組成，整體架構(gòu)如圖3所示。

對于發(fā)射端而言，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)送給視頻處理芯片進行解包，再按要求進行編碼[6]。生成碼流后，送入基帶信號處理單元進行基帶調(diào)制（采用OFDM的方法，包括編碼、數(shù)字調(diào)制及IFFT等），然后發(fā)送到射頻電路[7]。最后發(fā)送到接收端，接收端接收到數(shù)據(jù)后按發(fā)送端逆過程進行處理（包括FFT、信道估計和解調(diào)），然后送至解碼單元進行格式轉(zhuǎn)換，將最終結(jié)果顯示給客戶[8]。

3.2基帶信號處理

基帶信號處理單元采用OFDM的方法進行處理，流程如圖4所示。

編解碼及射頻相關(guān)單元的軟件工作流程如圖5所示。

參數(shù)配置如表1所示。

4結(jié)束語

基于無人機的光伏巡檢中的視頻圖像傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場測試，各個指標滿足要求。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、延時低、系統(tǒng)穩(wěn)定、傳輸距離遠、開發(fā)周期短及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點。但又存在遮擋物下傳輸質(zhì)量受很大影響的問題，需在以后的實踐中進行提升和改進。隨著電子科學技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機人工智能、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的日新月異，高清晰、快速率的圖像傳輸設備也在向著小型化、輕量化和智能化的方向發(fā)展。

參考文獻

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