基于無(wú)人機(jī)光伏巡檢的視頻圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹陽(yáng) 孟茁

摘要：隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中無(wú)人機(jī)光伏巡檢系統(tǒng)就是無(wú)人機(jī)的重要應(yīng)用。視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸功能是無(wú)人機(jī)光伏巡檢系統(tǒng)的重要功能之一，設(shè)計(jì)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(hào)處理和無(wú)線信道的收發(fā)。通過(guò)無(wú)人機(jī)上的攝像頭進(jìn)行視頻圖像的采集，視頻編碼芯片進(jìn)行編碼，利用基帶信號(hào)處理技術(shù)將編碼通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到地面接收端，在接收端利用解碼芯片進(jìn)行解碼并顯示視頻圖像。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；視頻圖像傳輸；OFDM

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）15-62-4

0引言

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)于無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的關(guān)注視線也有所改變，由以往的只關(guān)注無(wú)人機(jī)的控制與操作轉(zhuǎn)變到更加關(guān)注無(wú)人機(jī)的視頻圖像傳輸性能。隨著集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)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(shí)對(duì)于視頻圖像傳輸技術(shù)的需求和應(yīng)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(jìn)行視頻圖像的傳輸，缺點(diǎn)是傳輸距離有限、傳輸質(zhì)量受環(huán)境影響及使用起來(lái)不方便；另一種是借助于計(jì)算機(jī)的視頻圖像處理系統(tǒng)，將視頻圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮處理后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給異地計(jì)算機(jī)，缺點(diǎn)是體積龐大。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款無(wú)人機(jī)光伏巡檢系統(tǒng)，設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了視頻圖像數(shù)據(jù)的采集與編解碼，軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了誤碼率低的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到清晰度高、傳輸距離遠(yuǎn)、方便易攜的要求。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無(wú)人機(jī)光伏巡檢的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為2個(gè)部分：無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)上，利用無(wú)線通信信道實(shí)時(shí)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(shè)備將視頻播放出來(lái)。由于不同類(lèi)型無(wú)人機(jī)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(yuǎn)等特點(diǎn)。針對(duì)上述特點(diǎn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：將無(wú)人機(jī)上攝像頭拍攝的視頻圖像通過(guò)視頻圖像編碼模塊進(jìn)行編碼，然后將編碼碼元經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)通信接口傳送到地面上的視頻圖像解碼模塊進(jìn)行解碼，最后將解碼后的視頻圖像輸出到對(duì)應(yīng)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(wú)法直接傳輸大量高清視頻數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼工作，在發(fā)送之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼壓縮，在收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼工作。視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼通過(guò)軟件和硬件2種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件方式進(jìn)行編解碼工作主要是為了保證系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，所以系統(tǒng)是由一個(gè)負(fù)責(zé)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(diǎn)。存儲(chǔ)芯片的選擇主要是由于視頻數(shù)據(jù)量較大，要對(duì)視頻處理芯片進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的緩存，最后通過(guò)無(wú)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(shí)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(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，最后通過(guò)無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)大概可以分為視頻圖像采集單元（依托攝像頭進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)的采集）、視頻圖像編碼單元（負(fù)責(zé)視頻圖像數(shù)據(jù)的處理）、存儲(chǔ)單元（負(fù)責(zé)視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）、基帶信號(hào)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(gè)部分。為了降低系統(tǒng)延時(shí)，采用硬件進(jìn)行編碼；減少誤碼率采用OFDM進(jìn)行調(diào)制[1]；操作系統(tǒng)選用Linux，同時(shí)也可以降低開(kāi)發(fā)難度[2]。整體架構(gòu)由環(huán)境平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)搭建組成，主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)和基帶信號(hào)處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)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(guò)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(guò)板對(duì)板接口與中央處理單元相連，供電單元通過(guò)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(luò)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(gè)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(tái)，F(xiàn)PGA部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口的設(shè)計(jì)與基帶信號(hào)處理，ARM部分實(shí)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(shí)現(xiàn)TTL電平與接口1.8 V電平的轉(zhuǎn)換[3]。

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

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(kāi)供電，選用的電源芯片主要有LDl085C，LM339，LTM4644，TPS74401，LTM4616，MAXl510等。

④存儲(chǔ)電路：系統(tǒng)配置2片4 GB的DDR3 SDRAM芯片，布線時(shí)要求等長(zhǎng)對(duì)稱(chēng)，按照樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行布線。還配置3片QSPI Flash存儲(chǔ)器，1片參數(shù)存儲(chǔ)器EEPROM。

⑤復(fù)位電路：系統(tǒng)的復(fù)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(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)視頻圖像的傳輸，實(shí)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(shí)時(shí)JPEG2000硬件編解碼芯片ADV212，芯片專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于視頻圖像的壓縮，壓縮可以提升視頻圖像的畫(huà)質(zhì)特性，并且可實(shí)現(xiàn)計(jì)算密集型功能，具有配備兼容性強(qiáng)、低延遲的特點(diǎn)[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)視頻圖像支持復(fù)合同步視頻廣播信號(hào)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(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換為5 V，12 V，為整個(gè)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(luò)接口、RS232接口與RS422接口。網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ45變壓器、千兆以太網(wǎng)MAC接口和PHY Realtek RTL821 1FI實(shí)現(xiàn)；RS422接口采用芯片SV65HVD09實(shí)現(xiàn)；RS232采用芯片SN65C3232E實(shí)現(xiàn)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(hào)處理單元和無(wú)線信道組成，整體架構(gòu)如圖3所示。

對(duì)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(jìn)行解包，再按要求進(jìn)行編碼[6]。生成碼流后，送入基帶信號(hào)處理單元進(jìn)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(guò)程進(jìn)行處理（包括FFT、信道估計(jì)和解調(diào)），然后送至解碼單元進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將最終結(jié)果顯示給客戶[8]。

3.2基帶信號(hào)處理

基帶信號(hào)處理單元采用OFDM的方法進(jìn)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(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)的光伏巡檢中的視頻圖像傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，各個(gè)指標(biāo)滿足要求。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、延時(shí)低、系統(tǒng)穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、開(kāi)發(fā)周期短及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但又存在遮擋物下傳輸質(zhì)量受很大影響的問(wèn)題，需在以后的實(shí)踐中進(jìn)行提升和改進(jìn)。隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)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(shè)備也在向著小型化、輕量化和智能化的方向發(fā)展。

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