曹陽 孟茁

摘要：隨著無人機技術的發(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，隨著無人機技術的高速發(fā)展，人們對于無人機產(chǎn)品的關注視線也有所改變，由以往的只關注無人機的控制與操作轉變到更加關注無人機的視頻圖像傳輸性能。隨著集成電路技術、計算機技術和無線通信技術的高速發(fā)展，視頻圖像傳輸技術也得到了井噴式的發(fā)展，同時對于視頻圖像傳輸技術的需求和應用也更加廣泛。傳統(tǒng)的視頻圖像傳輸技術有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硬件結構

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。硬件結構如圖1所示。

1.3軟件結構

系統(tǒng)軟件架構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)對各個單元的驅動和基帶信號處理。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1硬件整體架構

硬件架構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換芯片，以實現(xiàn)TTL電平與接口1.8 V電平的轉換[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，按照樹狀結構進行布線。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轉換芯片，選用的ADC為ADV7181D，DAC為ADV7341，這2款芯片質量好、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的電源轉換模塊，將輸入電源通過DC-DC轉換為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

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制（采用OFDM的方法，包括編碼、數(shù)字調制及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），然后送至解碼單元進行格式轉換，將最終結果顯示給客戶[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。隨著電子科學技術的發(fā)展，特別是計算機人工智能、大數(shù)據(jù)等相關技術的日新月異，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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