鄭武略 ，尚 濤 ，張富春 ，金 釗 ，王一鳴 ，趙 敏 ，張 蔓

（1.廣州市南方電網(wǎng)廣東廣州510000，2.電子科技大學四川成都611731）

輸電線路在電力行業(yè)中有著舉足輕重的地位，承擔著電流傳輸?shù)娜蝿?，輸電線路可靠的運行，以及安全無危險的周圍環(huán)境是我們必須要保證的。隨著科學的快速發(fā)展和技術的革新，巡檢輸電線路的方式不再是單一的人工巡視，而是采用在線監(jiān)測設備、無人機巡檢設備等進行輸電線路巡檢，逐步變的多樣化[1-2]。而在山區(qū)輸電線路巡檢中，特別是在高山、險山等人為不易操作的區(qū)域，采用無人機巡檢的優(yōu)勢更為明顯，采集到的圖像使用無線圖傳進行傳輸。

與有線圖像傳輸相對比，無線圖傳在可移動性和功耗方面均有較大的優(yōu)勢，但其實時性和圖像的傳輸速度以及質量遠不及有線圖像傳輸：1）圖傳清晰度不夠，傳輸距離近，不能滿足應用要求；2）輸電走廊無通信鏈路，輸電線路巡視視頻無法實時回傳監(jiān)控中心；3）巡視數(shù)據(jù)處理智能化程度低巡視圖片、視頻的分析、命名、存檔、查詢均為人工操作，智能化程度低，效率不高，特別是巡視視頻和現(xiàn)場鐵塔號無法自動對應，仍然主要依賴于人工操作。所以，針對無人機巡檢技術發(fā)展，高清遠距離無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)對其具有深遠的影響意義

1 系統(tǒng)方案

設計的機載模塊，通過將相機和無線發(fā)射模塊整合在一起來構成具有無線傳輸功能的相機，其中相機分為高清視頻采集和壓縮兩部分，而視頻采集模塊則采用支持自動強光抑制、高速自動聚焦等功能的高端機芯。通過采用自動強光抑制及自動聚焦機芯，機載模塊能夠高效的進行視頻采集，并且能實時得到相機焦距信息；視頻壓縮模塊采用H.265硬壓縮方式[3]，與其他方式相比，所需時間較少，并且效果更好。無線發(fā)射模塊由信息調制和功率放大器兩部分組成。無線接收部分由緩沖區(qū)和解調、解碼、顯示3個模塊組成。能夠完成高質量視頻以及焦距信息傳遞輸送，距離長達5 km[4]。

射端中采用H.265壓縮格式壓縮視頻，可以減少70～80%的帶寬消耗。H.265視頻壓縮模塊采用高效的硬壓縮方式，采用相應的芯片提供高速高可靠性的視頻壓縮。無線傳輸模塊采用放大器將無線信號放大后利用554 MHz頻率的無線信號傳輸，能夠有效的繞過障礙物的遮擋，提高傳輸?shù)目煽啃?。電源備份采用高效鋰電池，為高質量清晰度攝像機機芯、視頻壓縮和無線傳輸3個部分供電。MCU控制器主要用來管理系統(tǒng)中的各個外圍接口，并協(xié)調其工作。發(fā)射端系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射端系統(tǒng)框圖

線圖傳的接收端由信號接收和視頻解碼、輸出接口以及電源4個不同的模塊共同構成[5]。信號接收模塊由高靈敏度天線和功率放大器兩部分組成，高靈敏度天線快速高效的接收發(fā)射端發(fā)出的信號，并通過功率放大器進行放大，使其更加明顯。視頻解碼模塊主要器件為H.265芯片，對已拍攝完成的數(shù)字視頻解壓縮。在輸出模塊中，選擇HDMI接口負責將信號接收端與顯示器之間的鏈接。接收、解碼、視頻輸出接口3個不同的模塊所需要的一切電量均使用電源部分中的高效鋰電池提供。接收端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 接收端系統(tǒng)框圖

2 技術方案

此次基于554 MHz視頻傳輸設計的無線圖傳整體方案大致分為以下5大塊：1）視頻采集；2）視頻編解碼；3）系統(tǒng)核心控制；4）系統(tǒng)供電；5）射頻通信[6]。視頻采集部分功能為完成視頻信息的采集，通過CMOS圖像傳感器芯片采集外界的視頻信息并將其轉化為電信號以供視頻編碼處理；編解碼部分主要用于高清視頻的信號編碼以及接收端解碼[7]；系統(tǒng)核心控制部分功能是控制視頻信號的采集、發(fā)送和接收[8]；系統(tǒng)供電部分是為系統(tǒng)提供需要的工作電壓；射頻通信部分通過直接發(fā)送和接收電磁波信號進行高清視頻的發(fā)射以及接收以達到通信的目的。

2.1 視頻采集部分

視頻采集部分采用GoPro HERO4戶外運動衛(wèi)星高清攝像機，GoPro相機是一款小型可攜帶固定式防水防震相機。

GoPro攝像機能夠拍攝1 440 p、1 080 p、720 p的視頻，HERO4 Black是首款能夠拍攝超高分辨率、高幀速率視頻的小型攝像機。使用HERO4 Black，能夠以每秒高達30幀的速率連拍12 MP照片。非常適合將攝像機固定到其他設備上進行拍攝而無法安東快門按鈕時的場景。GoPro充電采用微型USB接口，可采用Micro HDMI傳輸高達1 080 p的視頻流，并且可以將所拍攝視頻存入microSD內存卡中。

2.2 視頻編碼部分

本系統(tǒng)視頻編解碼部分采用海思Hi3516A視頻編解碼芯片，采用業(yè)界最新的H.265視頻壓縮編碼器（Hi3517A不支持），同時采用先進低功耗工藝和低功耗架構設計，這一切將使得Hi3516A在同類產(chǎn)品中占有巨大優(yōu)勢，不但擁有低碼率，而且在圖像清晰度上也極其優(yōu)秀，同時，低功耗也是選擇它的一個重要理由。其系統(tǒng)框圖設計如圖3所示。

圖3 H.265系統(tǒng)框圖

其在視頻編解碼方面具有優(yōu)越的性能：

1）處理器內核：A7@600MHz，32KB I-Cache，32KB D-Cache/128KB L2 cache，支持 Neon加速，集成FPU處理單元；

2）視頻編碼：H.265 Main Profile，H.264 BP/MP/HP，MJPEG/JPEG Baseline編碼；

3）視頻編碼處理性能：H.265/H.264編碼可支持最大分辨率為5M Pixel且具有多碼流實時編碼能力，支持JPEG抓拍5M@8fps，編碼幀率支持為1/16～60fps，CBR/VBR 碼率控制 16 kbit/s～40 Mbit/s，且支持8個感興趣區(qū)域（ROI）編碼；

4）智能視頻分析：集成智能分析加速引擎，支持智能運動偵測、周界防范、車牌識別、視頻診斷等多種智能分析應用[9]；

5）視頻與圖形處理：支持3D去噪、圖像增強、動態(tài)對比度增強處理功能，8個區(qū)域的編碼前處理OSD疊加，視頻圖形，即視頻+圖形兩層進行疊加[10]；

6）音頻編解碼：通過軟件實現(xiàn)多協(xié)議語音編解碼，協(xié)議支持G711、ADPCM、G726，支持回聲抵消功能，支持ANR，ALC功能；

7）視頻接口

輸入：

-支持8/10/12/14 bit RGB Bayer DC時序視頻輸入，時鐘頻率最高150 MHz；

-支持BT.601、BT.656、BT.1120輸入接口；

-支持MIPI、LVDS/Sub-LVDS、HiSPi接口；

-支持與 SONY、Aptina、OmniVision、Panasonic等主流高清CMOS sensor對接；

輸出：

-支持1路PAL/NTSC輸出，支持負載自動檢測；

8）音頻接口：集成 Audio codec，支持 16 bit語音輸入和輸出，支持I2S接口，支持對接外部Audio codec；

支持I2S接口，支持對接外部Audio codec。

2.3 系統(tǒng)核心控制部分

本系統(tǒng)使用OMAP5910作為系統(tǒng)的主控制芯片，接收其他模塊信息，并對其他模塊功能發(fā)送命令控制。雙核應用處理器OMAP5910可以實現(xiàn)互連、嵌入式、遠程等多種計算，其中，TI應用最為廣泛的TMS320C55XDSP可以用于實時多媒體，而在功能上有所改善的ARM925則可滿足控制和接口等方面的需要[11]。

基于雙核結構，OMAP5910具有極強的運算能力和極低的功耗，一方面產(chǎn)品性能高、省電，另一方面同其他OMAP處理器一樣，采用開放式、易于開發(fā)的軟件設施，支持廣泛的操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、WincE、Nucleus、PalmOS、VxWorks、Java等[12-13]。OMAP5910系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.4 系統(tǒng)供電部分

因為本次設計的方案中存在各類功能和和性質均不相同的電路，因此，整個系統(tǒng)的供電部分與其他同類方案相比，要復雜許多。只有足夠可靠的電源，才能完全保證整個電路的正常工作。在本次設計方案中，為了滿足攜帶移動方便的要求，采用電池提供所需電能，同時，在實際應用中，對工作時長以及安全性能方面有著較高標準，這就導致在此次方案中需要較多的工作專注于電池的選取。

此次，選取3塊3.7 V鋰電池，經(jīng)依次串聯(lián)組成的3S鋰電池提供系統(tǒng)所需電能。系統(tǒng)輸出電壓為11.1 V。眾所周知，因為方案選取電池充當電源，所以伴著時間逐步推移，器件的持續(xù)工作對電池的容量會有一定程度的使用，導致電壓強度慢慢變低。為了解決系統(tǒng)方案的不足，由于最大輸出電路電流均為800 Ma，擁有較強大的負載能力，因此選取輸出電壓強度分別為5 V和3.3 V的TPS62050與TPS62056[5]。

TPS62050電路圖如圖5所示。

TPS62056電路圖如圖6所示。

2.5 射頻通信部分

通過對市場上較為流行的幾種收發(fā)芯片進行比較，最終，采用nRF905，整個芯片采用QFN封裝，大小僅為5×5 mm。

單片射頻收發(fā)器nRF905相較于同類產(chǎn)品來說，更為穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)于挪威Nordic VLSI公司。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz等ISM頻段，在頻率合成方面，選取靈敏度更高的DDS+PLL，達到-100 dBm，最大發(fā)射功率達+10 dBm，數(shù)據(jù)速率可達100 kbit/s。[14]其顯著特點是外圍元件極少（約10個），低工作電壓（1.9V），功耗小，接收待機狀態(tài)僅為2.5 μA，可滿足低功耗設備的要求。由于器件正常工作時，處于ShockBurst模式，并且曼徹斯特編/解碼直接由芯片內置硬件直接完成，同時內置空閑與關機模式，因此整個器件在使用過程中簡單方便，并比同類芯片更為節(jié)能[15]。

射頻通信模塊PCB板如圖7所示。

圖5 TPS62050電路圖

圖6 TPS62056電路圖

圖7 射頻通信模塊PCB板

3 實驗驗證

3.1 室內環(huán)境測試

為測試圖傳設備工作是否正常、畫面是否清晰，實驗設計采用GoPro攝像機、圖傳設備、電視顯示設備在室內環(huán)境進行測試。

測試步驟：圖像發(fā)射端與圖像接收端天線距離1 m左右，GoPro攝像機通過Micro HDMI線與圖像發(fā)射端通信；圖像接收端與電視顯示器通過HDMI相連接。先后打開發(fā)射端與接收端，檢查顯示器是否有清晰畫面。其測試場景如圖8所示。

圖8 室內測試場景

從實驗結果可以看出，圖像發(fā)射端與圖像接收端形成了有效的信息交互通信連接，并且通過搭載GoPro相機，可以形成實時高清圖像傳輸反饋，且顯示器畫面清晰、穩(wěn)定，圖像傳輸設備能夠穩(wěn)定通信。

3.2 室外環(huán)境測試

為測試及驗證圖像傳輸有限距離，實驗通過采用攝像機、圖傳設備、顯示器、八旋翼無人機在室外環(huán)境進行測試。首先，對建立高清圖傳地面接收端，將圖傳接收平臺裝在汽車上，構成一個移動的接收平臺，如圖9所示。

圖9 室外車載接收端測試場景

在實驗測試前對飛機所在位置的GPS進行標定，本次實驗無人機GPS坐標為（103.916 115，30.755 365）。然后將測試選擇在寬闊的馬路上，并起飛前，請確定當前接收衛(wèi)星書數(shù)量，后控制搭載高清圖傳發(fā)射端的無人機上升至50多米處開始懸停，并啟動汽車遠離無人機的方向行駛，直至顯示器無圖像為止，記錄此時GPS坐標。其實驗場景如圖10所示。

圖10 機載高清圖傳傳輸測距

從實驗結果可以看出，當汽車GPS坐標到達（103.825 818，30.807 643）時高清圖像傳輸?shù)竭_臨界距離，并通過計算可以得出本次實驗高清圖傳最大傳輸臨界距離為10.4 km有效驗證了圖傳設備預估10 km傳輸距離的要求。

4 結束語

文中主要針對無線圖像傳輸系統(tǒng)的傳輸最大距離及傳輸視頻清晰度進行研究。由于從傳統(tǒng)高清圖傳普遍成本高昂且操作復雜，因此本文在高清遠距離圖傳設計選材方面采用大眾通用相機作為基礎，并對視頻編碼、、控制及射頻通信模塊進行設計，并從實驗結果可以看出本文設計的高清圖傳可以很好的完成圖像傳輸任務、攜帶方便，并具有超視距圖像傳輸能力，可以有效應用在遠距離無人機輸電線巡檢任務中。

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