CN102685467A - 一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法，无线图传通信系统包括：数字相机、控制模块和电源模块，其特征在于，所述的无线图传通信系统还包括：无线通信模块，用于和地面监控中心之间进行实时数据传输；所述的无线通信模块包括：可重构高速数字调制单元，用于根据地面监控中心遥控指令的调制模式选择数字调制方式对串行数据流进行数字化调制；和数传发射机，该数传发射机采用微波进行数据传输。所述的可重构高速数字调制单元包括串并转换、采样控制和载波相乘部分。本发明通过增加可重配置多模式调制器，根据信道环境的质量情况，可以在线改变调制方式，保证即使在传输环境恶劣的条件下仍然能够实时传输高分辨率图像数据。

Description

一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种在固定翼无人机上进行实时图像编码与发送、可在线改变调制模式、地面接收和解码的无线通信技术，具体地说，尤其涉及一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法。

背景技术

无线图传通信设备中，一般都配有模拟相机或者数字相机、嵌入式中央处理器、大容量存储器(如SD卡等)，如果需要实时将图像数据传送到地面，则需要加上发射机和天线等设备。当无人机飞临至待侦察地面上空时，需要打开相机，由计算机控制相机进行拍照，将记录的图像数据存储在固态存储器中，也可以通过发射机和天线将相关数据实时传回地面飞行监控中心，以便于实时地处理地面图像，并恢复出地形图与侦察信息等。

如图1所示，虚线部分为地面PC机；第二种是相机拍摄后的视频数据(动态图像数据)，现在通常为标清图像，通过发射机传回到地面站。

在已有的固定翼无人机平台上，通常都配备有高分辨率相机，对于高分辨率图像(500万像素以上)一般直接存储在机载的大容量存储器中，飞机返回时通过人工方式取下存储卡，导入到PC机中，也有部分无人机需要实时编码传输低分辨率的图像数据，如D1格式的视频数据等。由于飞机是在不断航行或盘旋动态变化之中，周围空间物理环境在时刻改变，如果遇到良好的通信环境时，我们可以采用复杂高效的调制方式，提高码速率，加快无人机数据传输的速度，而当遇到比较差的通信环境时，为降低数据传输的误码率，则需要减少通信带宽，减少码速率以提高数据下行的可靠性。进行这样的自适应码速率改变，就需要在线改变通信的调制方式，提升无人机通信的工作效率，满足测绘与遥感等宽幅图像对数传速度和质量都要求比较高的场合。

在现有的无人机传统的图像采集与传输系统设计方案中，针对无线通信方式而言，通常采用的调制方式为固定调制方式，即调制方式无论是模拟或者数字调制方式，都在设计电路板时已经固定，无法在线更改。这对于第一种图像获取方式，即由相机进行航拍后，图像数据保存到大容量的FLASH固态存储器中，飞机返航后取下存储卡或者通过USB接口传输到地面计算机服务器而言，可以认为没有影响，但是，对于方案模式二——实时无线图像传输方式，由于无线信道的环境变化较大，如果采用灵活可变的数字化调制方式，将能够根据信道质量调整信道的带宽，既可以在信道环境恶劣的条件下减小图像数据传输的误码率，又可以在信道环境好的情况下增加码速率，其作用将是十分明显的。

在飞机起飞前，在地面站需要首先设置好相机的各种参数，配置好视频编码器的压缩格式、速率等图像压缩系统参数。当该图像采集与传输系统上电启动后，数字相机、图像编码器和发射机进行初始化，整个系统即可开始工作，相机定时或者定距采集图像信息，并存储到固态存储器中。如果是方案模式二，则图像数据需要通过视频编码器编码后，送到发射机，然后通过天线传输到地面站，地面图像处理人员进行图像拼接和三维地形图生成，以备后续的测绘之用。

由于现有的大多数无人机图像处理设备，只将采集到图像信息保存在机载的大容量存储器中，很少实时下传，即使下传其下行能力也非常有限且技术不成熟，这就使得地面飞行监控中心无法实时获知现场的相关视觉信息。

而且，现有的无线图像传输设备均采用固定的调制模式，而无法通过遥控的方式进行动态改变，以满足信道环境变化的要求，其结果未能最大限度地发挥现有无线图像传输设备的性能，即更好地满足测绘与遥感图像的高性能与高可靠性实际需求。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有在固定翼无人机上无线图像传输设备的缺点及不足，从而提供一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法，进行实时图像编码与发送、可在线改变调制模式、地面接收和解码的无线通信技术，尤其涉及一种针对图像数据及工程参数数据进行打包、组帧、信道编码、调制、功放及射频发送的嵌入式无线通信设备，该设备具有可重构调制模式的优点，是具备实时高分辨率图像传输、可重构调制模式功能的无人机载荷装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于无人机上的无线图传通信系统，该无线图传通信系统包括：数字相机、控制模块和电源模块，其特征在于，所述的无线图传通信系统还包括：

无线通信模块，用于和地面监控中心之间进行实时数据传输；所述的无线通信模块包括：可重构高速数字调制单元，用于根据地面监控中心遥控指令的调制模式选择数字调制方式，对串行数据流进行数字化调制；和数传发射机，该数传发射机采用微波进行数据传输。

作为上述方法的一种改进，所述的可重构高速数字调制单元包括串并转换、采样控制和载波相乘部分。

所述的无线通信模块的图像数据无线传输调制实现模式采用FPGA模式，该模式可以通过可重配置硬件电路，实现不同的数字调制模式，如BPSK/QPSK/16QAM等，可在FPGA硬件不变情况下采用不同的电路结构，其性能与可靠性和专用模块的方式非常接近，适于产品升级并降低硬件成本。这样，在传统无人机图像数据传输的基础上，改变原有的体系架构，增加新的FPGA可重构电路模块，简化射频前端，提升系统数字化的程度，从而提高无人机无线图传系统的工作效率，而且降低了设计的成本。

作为上述方法的一种改进，所述的无线图传通信系统还包括存储模块，用于记录图像数据和工程参数数据。所述的存储模块为通过计算机总线接口使用固态FLASH作为存储介质的电子硬盘。

作为上述方法的又一种改进，所述的电源模块包括DC/DC模块，用于计算机和数传发射机的供电，分别输出+24V和+12V电源。

为实现上述另一发明目的，本发明还提供了一种用于无人机上的无线图传通信方法，该方法步骤包括：

1)在无人机平台端，通过数字相机获取高分辨率图像信息，并通过LVDS接口输入到图像编码器单元，压缩成为低速率的数据流；

2)通过CPU模块将压缩后的低速率的数据流、遥测量及工程参数打包后发送到计算机接口卡单元，由FPGA数字电路对该低速率的数据流进行交织与RS编码之后复接形成一路串行数据流，再通过可重构高速数字调制单元根据遥控指令进行调制模式的选择和数字化调制，然后进行D/A转换，发送到数传发射机单元；

3)由数传发射机采用微波传输方式将数据传输至地面监控中心。

作为上述方法的一种改进，所述的步骤2)还通过存储模块记录压缩后的低速率的数据流、计算机接口卡单元采集的遥测量和工程参数数据信息。

作为上述方法的又一种改进，所述的步骤2)中的调制模式包括：BPSK调制电路、QPSK调制电路或16QAM调制电路，用于对串行数据流进行数字化调制。

作为上述方法的再一种改进，所述的步骤3)数传发射机模块采用与计算机的高速同步串行接口单元将调制后的数据流经过高速D/A转换后的数据送到混频器，与本振产生的载波进行混频，形成射频信号，再经过微波功放电路单元功率放大后，由射频输出单元输出至天线下传到地面监控中心。

作为上述方法的还一种改进，所述的步骤2)对压缩后的低速率的数据流、计算机接口卡单元采集的遥测量和工程参数数据信息进行打包组帧并发送给发射机。

在无人机传统的图像数据传输设计方案中，通常包括4个功能模块：第一个是数字相机模块，用于对待侦察或测绘区域进行拍照；第二个是计算机模块，完成各个功能模块的管理控制、数据处理及系统配置等功能；第三个是无线通信模块(包括调制、功放和天线)，用于和地面监控中心之间进行实时数据传输；第四个是存储模块，利用大容量的FLASH固态存储器记录图像数据和其他工程参数数据。

相对于已有的无人机图像传输方案，本发明公开了一种可重构调制模式的无线图像传输装置，在传统的无线图像获取或者图传装置基础上增加FPGA动态可重构高速宽带调制硬件模块，采用微波进行数据传输，改进数传发射机的性能，增加其带宽，即主要包括的功能模块有：数字相机模块、计算机模块(包括可重构数字调制单元)、大容量存储模块、专用图像编码器模块、数传发射机模块、稳压电源模块等。

在本发明所述的无人机无线图传载荷装置中，增加了多模式数字调制方式，即通过地面监控中心注入调制模式选择的遥控指令，经无人机的自动驾驶仪接收该指令，并且产生中断，计算机模块处理该中断信号，接收RS232串口传送过来的数据，计算机模块译码该指令，输出到计算机接口卡模块，计算机接口卡进行模式判断，产生使能信号，驱动BPSK/QPSK/16QAM或者其他调制电路对串行数据流进行数字化调制，调制后的数据流经过高速D/A转换，送到混频器，与本振产生的载波进行混频，形成射频信号，经过功率放大后，通过天线下传到地面站飞控中心。

在无人机平台端，工业数字相机获取的高分辨率图像信息通过LVDS接口输入到专用图像编码器单元，压缩成为低速率的数据流，CPU模块负责将压缩后的图像数据，一方面存储到机载的大容量存储器中，其中包括由计算机接口卡单元采集的遥测量和工程参数数据信息；另一方面，通过计算机总线将压缩码流、遥测量及工程参数发送到计算机接口卡单元，FPGA数字电路对该数据流进行交织与RS编码，之后形成一路串行数据流，通过模式选择和判断，选择其中一种调制模式，然后进行D/A转换，发送到数传发射机单元。

数传发射机单元主要包括本振、混频、预功放、滤波、主功放等部件组成，该单元接收D/A发送过来的模拟信号，经过功放和滤波后，最后输入到射频接口，通过天线发送出去。数传发射机的内部结构框图如图3所示。

在地面站的接收端，从天线接收到的信号通过射频前端、解调、解帧处理和信道解码单元。再通过图像解码之后，利用界面软件在屏幕上实时显示。

在本发明所述的无人机高分辨率图像传输载荷装置中，增加了原无人机所不具备的多模式调制功能，较之现有的固定调制模式的图像数传设备，其性能和灵活性得到提升。这主要由可重构的调制方式和微波通信的高带宽来完成，这对于大尺寸包括测绘级相机都可以满足编码的实时性要求。该方案解决了传统方案中调制模式固定、传输模式无法根据信道环境而在线调整的难题，这对于我国无人机勘探、侦察、遥感、测绘等诸多方面的应用奠定了良好的技术基础，例如在紧急事件处理的场合，指挥者可以实时而流畅地看到现场的工作状态和事件发展画面，获得第一手数据资料，迅速地做出决策。从而最大限度地降低灾难所产生的不良后果，并为追究可能出现的事故责任留下客观证据。因此，本发明具有广泛的经济效益和社会效益。

本发明的优点在于：

本发明改进了现有的无人机图像获取和传输装置，针对只具有固定调制方式的无线图像数据传输装置，进行数字化提升，通过增加基于FPGA的可重配置多模式调制器，将其变成一个具备可高效传输高分辨率图像数据的载荷装置，根据信道环境的质量情况，可以在线改变调制方式，保证即使在传输环境恶劣的条件下仍然能够实时传输高分辨率图像数据，这对于充分发挥无人机的整体功能具有十分明显的现实意义。在无人机服务的各个行业中，可以更好地协助各部门完成任务，并以最快的速度搜集到地面最直观的信息，该装置具有功能强、成本低、实时性好、可靠性高、组态灵活、直观方便等优点。

为避免此类情况的发生，针对传统无人机图像采集编码与传输系统的不足，本发明提出了一种实现高分辨率图像编码与传输功能的机载装置，该装置在改进现有的无线图传系统基础上，采用微波的S波段进行数据传输，增加新的高速压缩功能模块和接口，以完成大幅高分辨率图像实时图传的相关处理功能。

增加高速压缩功能模块后，航拍获得的大尺寸高分辨率图像在无人机侦察或者测绘过程中，既可以存储在机载的固态存储器中，也可以通过无线数传发射机模块和机载天线实时发送到地面站，由地面站接收后在服务器上进行数据解包和图像解码的快速处理，进而采用图像拼接的方式生成侦察或测绘区域的全景图，直至可以将整个三维地形图制作出来，达到遥感、测绘和军事侦察的目的。

该系统所采用的图像数据传输方式，是一种对已有方式的改进与提升，其一采用高速硬件压缩模块，增加压缩工作速度；其二是采用微波传输，可重构数字调制模式，增加了数据传输的带宽。通过优化后的系统可以保障，现场采集的大尺寸高分辨率图像得以实时地传回到地面，供地面站数据处理人员据此做出应急措施，如针对灾情、战乱等马上应对，从而避免之前出现的图像数据丢失或者事后才能获取的弊端，保证了无人机巡视、侦察与测绘等任务的按时完成，使之充分发挥其应有的作用，真正为国民生产和国防事业做出重要的贡献。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1已有的无人机图像传输系统模块框图；

图2常用的无人机数传发射机模块框图；

图3为本发明的具备多模式调制、高分辨率图像传输功能的装置模块框图；

图4为本发明的QPSK调制方式的内部结构框图示意图；

图5为本发明的16QAM调制方式的内部结构框图；

图6为本发明的数传发射机的功能结构框图；

图7为本发明的多模式调制无线图传系统装置实施例的模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

计算机模块分为硬件部分与软件部分，其中硬件部分包括CPU单元、可重构高速数字调制单元和计算机接口卡单元两个部分，CPU单元作为中央控制处理器，包括与高速图像压缩模块的LVDS接口、与无人机自驾仪的串行接口、与固态存储模块的CPU总线接口以及人机接口中的LCD接口和键盘接口；计算机接口卡单元包括遥测量采集、交织与RS编码及与数传发射机模块的高速同步串行接口，可重构高速数字调制单元包括串并转换、采样控制、载波相乘等部分。计算机软件部分的功能包括：

1.对各个模块进行上电初始化，包括对计算机及其外围电路芯片的初始化；

2.对调制模式选择模块的初始化；

3.实现与各个功能模块的接口处理；

4.对各个模块进行参数配置和系统管理；

5.对设备遥测量、图像数据及无线图传设备自身工程参数等数据进行打包、组帧，并发送给发射机；

6.对遥测量、图像数据及无线图传设备自身工程参数等数据进行存储处理；

高速图像采集与编码模块包括与数字相机的接口(高速LVDS接口)、专用小波压缩(JPEG2000)单元、图像码流形成与计算机接口(LVDS)单元。

大容量存储模块即是通过计算机总线接口，使用固态FLASH作为存储介质的电子硬盘。

数传发射机模块采用与计算机的高速同步串行接口单元、本振单元、混频单元、微波功放电路单元、与天线接口的射频输出单元，其内部构造框图如图3所示。

人机接口模块包括LCD单元、键盘单元。

稳压电源模块为数字相机、计算机和数传发射机供电，输出+24V和+12V电源。

如图3所示，本发明涉及一种实现无人机多模式调制、高分辨率实时图像传输的载荷装置，也可应用于其他需要进行无线图像数据传输的场合。下面以某无人机高分辨率实时图像传输系统为例，对本发明装置作进一步的详细说明。

在无人机图像传输装置正常工作时，其体积为280mm×120mm×60mm，重量为2Kg，功耗为25W。采用工作在3000MHz频段的数传发射机，，下行码速率可达52Mbps，误码率为10^-8，输出功率为5W。

为简化起见，我们实例中仅设计为两种调制方式，即QPSK与16QAM方式，当然也可以添加其他更多的调制模式，方法类似。

如图4所示，当调制方式为QPSK时，专用图像编码器采用改进的JPEG2000压缩算法，工业数字相机采集到的图像为灰度图像，像素精度为8bit，500万像素。当压缩比为8倍，传输速率为50Mbps时，帧频为每秒10帧，当压缩比为2倍时，帧频为每秒2.5帧，考虑到航向重叠与旁向重叠率，该帧频满足地面站进行区域拼图与恢复三维地形图的要求，一般情况下，该装置所传输的遥测量和工程参数数据量很小，只需50Kbps即可。如图5所示，当调制方式为16QAM时，采用同样的相机，当压缩比为8倍，传输速率为200Mbps时，帧频为每秒40帧；当压缩比为2倍时，帧频为每秒10帧。因此，如果在天气晴朗、云层或者其他障碍物很少的情况下，可以采用16QAM调制方式，增加码速率，当在阴天或者云层遮挡情况下，需要采用QPSK模式，增加其可靠性，降低码速率。

因此，采用QPSK调制方式，在52M带宽的条件下，将遥测与工程参数源包、图像数据流进行打包，组成统一的数据帧，数据帧长度为1024字节，形成小于52Mbps的数据流，再进行数字调制等操作，最后输入到射频模块，通过天线发送出去，采用16QAM调制方式，也同此操作即可。

在地面站监控中心的接收端，从天线接收到的信号通过射频模块、解调以及解帧处理模块，根据源包格式，将解出的数据进行分两路，即一路为遥测量与工程参数，一路为图像压缩码流数据。由地面监控中心的服务器对遥测量与工程参数、图像数据进行数据分析处理，对数据结果生成解包报告，并将相关图像数据存储到硬盘上可供后续回放与处理，解压缩后的高分辨率图像在界面软件中实时显示，并存入多媒体数据库中，以供后续的查询、检查和打印等处理，包括机载设备与地面接收设备的功能框图如图7所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种用于无人机上的无线图传通信系统，该无线图传通信系统包括：数字相机、控制模块和电源模块，其特征在于，所述的无线图传通信系统还包括：

无线通信模块，用于和地面监控中心之间进行实时数据传输；所述的无线通信模块包括：可重构高速数字调制单元，用于根据地面监控中心遥控指令的调制模式选择数字调制方式对串行数据流进行数字化调制；和数传发射机，该数传发射机采用微波进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的用于无人机上的无线图传通信系统，其特征在于，所述的可重构高速数字调制单元包括串并转换、采样控制和载波相乘部分。

3.根据权利要求1所述的用于无人机上的无线图传通信系统，其特征在于，所述的可重构高速数字调制单元采用FPGA模式。

4.根据权利要求1所述的用于无人机上的无线图传通信系统，其特征在于，所述的无线图传通信系统还包括存储模块，用于记录图像数据和工程参数数据。

5.根据权利要求4所述的用于无人机上的无线图传通信系统，其特征在于，所述的存储模块为通过计算机总线接口使用固态FLASH作为存储介质的电子硬盘。

6.根据权利要求1所述的用于无人机上的无线图传通信系统，其特征在于，所述的电源模块，用于计算机和数传发射机的供电，分别输出+24V和+12V电源。

7.一种用于无人机上的无线图传通信方法，该方法步骤包括：

1)在无人机平台端，通过数字相机获取的高分辨率图像信息，通过LVDS接口输入到图像编码器单元，压缩成为低速率的数据流；

2)通过CPU模块将压缩后的低速率的数据流、遥测量及工程参数打包后发送到计算机接口卡单元，由FPGA数字电路对该低速率的数据流进行交织与RS编码之后复接形成一路串行数据流，再通过可重构高速数字调制单元根据遥控指令进行调制模式的选择和数字化调制，然后进行D/A转换，发送到数传发射机单元；

3)由数传发射机采用微波传输方式将数据传输至地面监控中心。

8.根据权利要求7所述的用于无人机上的无线图传通信方法，其特征在于，所述的步骤2)还通过存储模块记录压缩后的低速率的数据流、计算机接口卡单元采集的遥测量和工程参数数据信息。

9.根据权利要求7所述的用于无人机上的无线图传通信方法，其特征在于，所述的步骤2)中的调制模式包括：BPSK调制电路、QPSK调制电路或16QAM调制电路，用于对串行数据流进行数字化调制。

10.根据权利要求7所述的用于无人机上的无线图传通信方法，其特征在于，所述的步骤3)数传发射机模块采用与计算机的高速同步串行接口单元将调制后的数据流经过高速D/A转换后的数据送到混频器，与本振产生的载波进行混频，形成射频信号，再经过微波功放电路单元功率放大后，由射频输出单元输出至天线下传到地面监控中心。

11.根据权利要求7所述的用于无人机上的无线图传通信方法，其特征在于，所述的步骤2)对压缩后的低速率的数据流、计算机接口卡单元采集的遥测量和工程参数数据信息进行组帧并发送给发射机。

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