CN102695041A - 高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置，包括：数字相机模块，用于对待侦察或测绘区域进行拍照；控制处理模块，完成各个功能模块的管理控制、数据处理及系统配置；和电源模块，用于对设备供电；还包括：高速图像采集与编码模块和数传发射机模块；所述的高速图像采集与编码模块，用于高分辨率图像处理和传输，通过与数字相机的高速LVDS接口采集原始图像数据，由小波压缩单元进行图像压缩编码形成图像码流，再经控制处理模块打包、组帧后送至数传发射机模块；所述的数传发射机模块，采用微波将控制处理模块处理后的数据下传到地面站，以增加数据传输的带宽。该装置成本低、实时性好、可靠性高、组态灵活、直观方便。

Description

高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置

技术领域

本发明涉及一种在无人机上进行实时图像编码与发送、地面接收和解码的无线通信技术，具体地说，涉及一种高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置，具有图像及工程参数数据进行打包、组帧、信道编码、调制、功放、微波发送的嵌入式无线通信设备。

背景技术

在已有的无人机平台上，通常都配备有图像采集编码与存储设备，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，而不实时下行传输到地面站。当无人机飞回地面时，通过人工方式取下存储卡，导入到PC机中，进行地面的离线处理。另外，部分产品可以通过机载的图像编码器，实时编码并下行，但由于其频段及带宽收到限制，因此，其传输距离与数据的码速率很难得到提升，只能传输低分辨率的图像，无法满足测绘与遥感等图像质量要求比较高的场合。

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，以便于实时处理地面图像，并恢复出地形图与侦察信息等。

在无人机传统的无线图像传输系统设计方案中，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，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。

在无人机传统的图像采集与传输系统设计方案中，通常有两种模式，一种由相机进行航拍后，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中，如图1中所示，虚线部分为地面PC机；第二种是相机拍摄后的图像数据，通过发射机传回到地面站。

在飞机起飞前，在地面站需要首先设置好相机的各种参数，配置好图像编码器的压缩格式、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图像编码器编码后，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，以及后续的测绘之用。

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，一者，若在紧急救援场合，需要对现场图像进行实时处理，而飞机需要几个小时飞回后才见到图像，此时再作出反映可能已经于事无补；二者，若飞机失事则重要数据将丢失，无法弥补；三者，若机载存储器损坏或存储过程中丢掉部分图像数据，则飞行任务也将失败。因此，在传统模式中，其无线图传系统要么只是将采集的图像存储在机载大容量存储器中而离线下传，要么将采集到的低分辨率图像实时下传，其结果难以满足测绘与遥感图像的实际需求。

发明内容

本发明的目的在于，为克服传统无人机图像采集编码与传输系统的不足，从而提出了一种高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置，该装置在改进现有的无线图传系统基础上，采用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。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置，包括：数字相机模块，用于对待侦察或测绘区域进行拍照；控制处理模块，完成各个功能模块的管理控制、数据处理及系统配置；和电源模块，用于对设备供电；其特征在于，还包括：高速图像采集与编码模块和数传发射机模块；

所述的高速图像采集与编码模块，用于高分辨率图像处理和传输，通过与数字相机的高速LVDS接口采集原始图像数据，由小波压缩单元进行图像压缩编码形成图像码流，再经控制处理模块打包、组帧后送至数传发射机模块；

所述的数传发射机模块，采用微波将控制处理模块处理后的数据下传到地面站，以增加数据传输的带宽。

作为上述技术方案的又一种改进，所述的无人机载荷装置还包括存储模块，用于记录图像码流和工程参数数据。

作为上述方法的再一种改进，所述的存储模块通过计算机总线接口存储编码后的图像数据。

作为上述方法的还一种改进，所述的数传发射机模块包括：与计算机的高速同步串行接口单元、模拟QPSK调制单元、微波功放电路单元、和与天线接口的射频输出单元。

作为上述方法的还一种改进，所述的电源模块包括3个DC/DC模块，分别为控制模块和数传发射机供电，输出+12V和+5V电源。

作为上述方法的还一种改进，所述的高速图像采集与编码模块采用芯片模式，由CPU控制的图像编码芯片进行图像编码与处理。

作为上述方法的还一种改进，所述的控制处理模块，包括计算机接口卡单元，用于对计算机总线发送来的压缩码流、遥测量及工程参数进行交织与RS编码形成一路同步串行数据流，发送到数传发射机单元。

作为上述方法的还一种改进，所述的数传发射机模块包括：本振单元、调制单元、预功放单元、滤波单元和主功放单元，用于对计算机接口卡发送过来的同步串行数据流，进行QPSK调制，并经过功放和滤波后，最后输入到射频接口，通过天线发送出去。

相对于已有的无人机图像传输方案，本发明公开了一种无人机无线图传的嵌入式载荷装置，在传统的无线图像获取或者图传装置基础上增加高速图像压缩硬件模块，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、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。

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采集、编码与传输方式，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，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。

本发明优选采用专用芯片的模式，专用芯片模式是指采用CPU控制专用的图像编码芯片进行图像编码与处理，即纯硬件图像压缩模式。在传统无人机图像获取与传输系统的基础上，增加新的图像压缩通用硬件模块，可以在系统架构不变的情况下，提升无人机无线图传系统工作效率，成本低而且性能指标很高。

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，针对只具有图像存储功能或者无线传输低分辨率图像的载荷装置，进行功能提升，通过增加专用的高速图像编码器，将其变成一个具备可传输高分辨率图像数据的载荷装置，不仅仍然能够在机载设备上保存高分辨率图像数据，而且可以实时下传航拍图像数据，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，该装置具有成本低、实时性好、可靠性高、组态灵活、直观方便等优点。

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已有无人机的图像传输系统模块框图；

图2本发明的高速、高分辨率的无人机图像传输装置的模块框图；

图3为本发明的数传发射机的功能结构的模块框图。

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。

本发明涉及一种实现无人机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高速大尺寸无线图像传输的场合。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。

在该装置正常工作时，其体积为200mm×120mm×50mm，重量为2Kg，功耗为30W。采用S波段的数传发射机，工作在2500MHz频段，下行码速率可达12Mbps，误码率为10^-8，输出功率为5W，调制方式为QPSK，专用图像编码器采用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10Mbps时，帧频为每秒2帧，当压缩比为2倍时，帧频为每2秒1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。因此，在12M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12Mbps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，即可完成该装置的所用功能。

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。

本实施例中，控制处理模块的实现分为硬件部分与软件部分，其中硬件部分包括CPU单元和计算机接口卡单元两个部分，CPU单元采用PC104模块作为中央控制处理器，包括与高速图像压缩模块的LVDS接口、与无人机自驾仪的异步串行接口、与存储模块的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单元、交织与RS编码单元及与数传发射机模块的高速同步串行接口。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.实现与各个功能模块的接口处理；

3.对各个模块进行参数配置和系统管理；

4.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；

5.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；

其中，计算机软件部分打包组帧采用的通信协议为CCSDS航天标准协议，该协议容错性好、可靠性很高，非常适于无人机图像传输系统采用。

具体实现时，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。稳压电源模块包括3个DC/DC模块，为计算机和数传发射机供电，输出+12V和+5V电源。

数传发射机模块采用与计算机的高速同步串行接口单元、模拟QPSK调制单元、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。

数传发射机单元主要包括本振、调制、预功放、滤波、主功放等部件组成，该单元接收计算机接口卡发送过来的同步串行数据流，进行QPSK调制，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。

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无线图传载荷装置中，增加了高速硬件图像压缩与编码传输的功能，即通过数字相机，采用LVDS高速差分数据接口，将原始图像数据采集到缓冲存储器中，由FPGA控制时序，利用专用图像编码芯片（JPEG2000小波专用芯片）进行图像压缩编码，编码后的图像数据一路通过计算机线存储到大容量存储卡中，另一路经过打包、组帧后送至数传发射机模块，通过数传发射机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接口进入专用图像编码器单元，在专用图像编码器单元中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，一方面存储到计算机机载大容量存储器中，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，计算机接口卡通过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，发送到数传发射机单元。

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高分辨率航拍图像实时图传功能，较之现有的低分辨率图像编码器设备，其性能得到大大提升。这主要由高速的专用图像编码器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，而且图像编码算法为JPEG2000标准算法，其图像恢复质量是目前世界上最好的。该方案解决了大尺寸高分辨率航拍图像的实时回传难题，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，例如在紧急救灾场合，使得工作人员可以在事情突发现场甚至千里之外，实时而直观地看到现场的工作状态和灾情发展，获得第一手数据资料，快速地做出决策，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。

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 (8)

1.一种高分辨率的实时无线图像传输功能的无人机载荷装置，包括：数字相机模块，用于对待侦察或测绘区域进行拍照；控制处理模块，完成各个功能模块的管理控制、数据处理及系统配置；和电源模块，用于对设备供电；其特征在于，还包括：高速图像采集与编码模块和数传发射机模块；

所述的高速图像采集与编码模块，用于高分辨率图像处理和传输，通过与数字相机的高速LVDS接口采集原始图像数据，由小波压缩单元进行图像压缩编码形成图像码流，再经控制处理模块打包、组帧后送至数传发射机模块；

所述的数传发射机模块，采用微波将控制处理模块处理后的数据下传到地面站，以增加数据传输的带宽。

2.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的无人机载荷装置还包括存储模块，用于记录图像码流和工程参数数据。

3.根据权利要求2所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的存储模块通过计算机总线接口存储编码后的图像数据。

4.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的数传发射机模块包括：与计算机的高速同步串行接口单元、模拟QPSK调制单元、微波功放电路单元、和与天线接口的射频输出单元。

5.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的电源模块包括3个DC/DC模块，分别为控制模块和数传发射机供电，输出+12V和+5V电源。

6.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于所述的高速图像采集与编码模块采用芯片模式，由CPU控制的图像编码芯片进行图像编码与处理。

7.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的控制处理模块，包括计算机接口卡单元，用于对计算机总线发送来的压缩码流、遥测量及工程参数进行交织与RS编码形成一路同步串行数据流，发送到数传发射机单元。

8.根据权利要求1所述的无人机载荷装置，其特征在于，所述的数传发射机模块包括：本振单元、调制单元、预功放单元、滤波单元和主功放单元，用于对计算机接口卡发送过来的同步串行数据流，进行QPSK调制，并经过功放和滤波后，最后输入到射频接口，通过天线发送出去。

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