基于無人機光伏巡檢的視頻圖像傳輸系統設計

曹陽 孟茁

摘要：隨著無人機技術的發展，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就是無人機的重要應用。視頻圖像數據傳輸功能是無人機光伏巡檢系統的重要功能之一，設計了一套視頻圖像傳輸系統，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。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展，人們對于無人機產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展，視頻圖像傳輸技術也得到了井噴式的發展，同時對于視頻圖像傳輸技術的需求和應用也更加廣泛。傳統的視頻圖像傳輸技術有2種：一種是利用模擬數據進行視頻圖像的傳輸，缺點是傳輸距離有限、傳輸質量受環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，將視頻圖像信號進行壓縮處理后通過互聯網發送給異地計算機，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，設計主要包括硬件設計和軟件設計，硬件設計實現了視頻圖像數據的采集與編解碼，軟件設計實現了誤碼率低的數據傳輸技術和簡單的操作系統，使系統達到清晰度高、傳輸距離遠、方便易攜的要求。

1系統總體設計

基于無人機光伏巡檢的視頻圖像數據傳輸系統分為2個部分：無人機上的視頻圖像發送端和地面上的接收端。該系統的工作流程如下：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航能力不同，要求系統具備體積小、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，然后將編碼碼元經過數據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據接口。

1.1系統框架

由于現有通信系統的性能有限，無法直接傳輸大量高清視頻數據，所以需要對視頻數據進行編解碼工作，在發送之前進行數據的編碼壓縮，在收到數據后進行解碼工作。視頻數據進行編解碼通過軟件和硬件2種方法來實現，硬件方式進行編解碼工作主要是為了保證系統的可靠性、實時性和靈活性，所以系統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據量較大，要對視頻處理芯片進行存儲擴容，實現對視頻圖像數據的緩存，最后通過無線信道將視頻圖像數據發送出去。

1.2硬件結構

系統要實現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，并對視頻圖像數據進行編碼，最后通過無線信道進行數據傳輸。系統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據的采集）、視頻圖像編碼單元（負責視頻圖像數據的處理）、存儲單元（負責視頻圖像數據的存儲）、基帶信號處理單元、射頻收發單元、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]；操作系統選用Linux，同時也可以降低開發難度[2]。整體架構由環境平臺和應用平臺搭建組成，主要目的是實現對各個單元的驅動和基帶信號處理。

2系統硬件設計

2.1硬件整體架構

硬件架構主要由視頻圖像收發單元、視頻圖像編解碼單元、中央處理單元、數字接口和供電單元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，數字接口放在中央處理單元上，數字接口包含網絡接口、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：系統綜合考慮各方面因素，選用ZYNQ-7035平臺，FPGA部分實現數字接口的設計與基帶信號處理，ARM部分實現控制與管理。數字接口部分增加了電平轉換芯片，以實現TTL電平與接口1.8 V電平的轉換[3]。

②時鐘電路：系統的工作時鐘有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，FPGA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片參數存儲器EEPROM。

⑤復位電路：系統的復位電路使用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無人機視頻圖像的傳輸，實現發射端視頻圖像的編碼和接收端數字碼元的解碼。系統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，并且可實現計算密集型功能，具有配備兼容性強、低延遲的特點[4]。系統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，為整個系統提供外部電源。

2.4數據接口單元

數字接口電路包括網絡接口、RS232接口與RS422接口。網絡接口采用RJ45變壓器、千兆以太網MAC接口和PHY Realtek RTL821 1FI實現；RS422接口采用芯片SV65HVD09實現；RS232采用芯片SN65C3232E實現。

3系統軟件設計

3.1軟件整體架構

系統軟件由主控單元、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。

對于發射端而言，將采集到的視頻圖像數據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、數字調制及IFFT等），然后發送到射頻電路[7]。最后發送到接收端，接收端接收到數據后按發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，經過現場測試，各個指標滿足要求。該系統具有體積小、重量輕、延時低、系統穩定、傳輸距離遠、開發周期短及系統成本低等優點。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展，特別是計算機人工智能、大數據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展。

參考文獻

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