CN104065860A

CN104065860A - 一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置

Info

Publication number: CN104065860A
Application number: CN201410271723.5A
Authority: CN
Inventors: 徐长福; 何在军; 何灿国; 何力波; 何勇
Original assignee: Hai Li River Shenzhen Science And Technology Ltd; SUZHOU AOKUILA ELECTRONICS SCIENCE CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: Hai Li River Shenzhen Science And Technology Ltd; SUZHOU AOKUILA ELECTRONICS SCIENCE CO Ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明公开了一种超轻量级的一体化高清视频成像及高带宽传输装置，特别是采用高度集成的超轻量化设计方案，在具备高变倍1080P高清视频成像功能的同时具备高带宽的无线传输功能，特别可用作于小型电动多旋翼无人机机载超轻量级一体化高清成像及高带宽传输装置。本装置包括高清成像组件、核心处理芯片、TD-LTE4GMiniPCi通讯模块、天线等硬件。本发明具有高度集成、一体化设计、全帧率1080P高清视频成像及100Mbps高带宽传输等技术特点。兼具内含高性能的智能图像分析算法和综合智能管理功能，整体封装，结构简单，超轻重量、超低功耗，可适用于多种应用场合。

Description

一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置

技术领域

本发明涉及一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，特别是采用高度集成的超轻量化设计方案，在具备高变倍1080P高清视频成像功能的同时具备高带宽的无线传输功能，特别可用作于小型电动多旋翼无人机机载超轻量级一体化高清成像及高带宽传输装置。

背景技术

近年来，国家电网公司正在大力推进无人机巡检技术的试点应用。国网公司无人机飞行平台主要有三种：多旋翼无人机、无人直升机、固定翼无人机。无人机一般采用低频数传电台（传输指令）和视频传输电台（图传）实现无人机与地面的数据通信。多旋翼无人机的主要优点是造价低、结构简单、易于操控、可悬停，可开展可见光、红外检测，比较适用于小范围内杆塔及线路精细化巡检和故障点查找。目前多旋翼无人机的主要缺点是载荷重量、续航时间不能很好满足任务要求，控制的可靠性也有待提高。目前几乎所有型号的无人机，由于高带宽通信系统的缺乏，并不能做到1080P高清视频图像的稳定实时传输，不便于实时对疑似故障点做精确定位和成像分析。特别对于小型多旋翼无人机由于载重量有限，更无法搭载市面上通用的有较高分辨率的成像及图传系统。

因此，可以说无人机巡检最本质的东西是能否提供一个有足够留空时间的飞行平台，搭载具有较大光学变焦倍数的高清成像和高带宽的图像传输系统，并且具有一个强大的无人机巡检作业管理和图像智能分析系统。良好的飞行平台、高清成像高带宽通讯系统及后台智能化管理分析系统是多旋翼无人机精细化巡检系统的三大核心技术所在。对于电动多旋翼无人机来说，飞行的稳定性是其优势所在，但较小的载重和较短的留空时间是其劣势所在。因此，研制超轻量化的高变倍1080P高清成像和高带宽传输装置，不但能充分发挥无人机巡检的技术优势，而且可通过降低负载重量的方法有效增加多旋翼无人机的留空时间。

目前，多旋翼无人机多采用下列方法进行视频成像及图传：

（1）搭载市面通用型高清相机、高清摄像机、红外热成像仪或紫外成像仪等成像装置。成像装置的重量一般都在500克到2.5千克之间，甚至更大。

（2）视频传输多采用视频发射机（或称图传电台）。工作频段：一般在150MHZ 至2.7GHZ之间，通道带宽：2-8MHZ之间，设备重量一般在300克以上。

现有多旋翼无人机机载视频成像装置及图传装置的主要缺点如下：

（1）视频成像及图传装置一般采用通用型产品，没有做高度集成设计，导致设备的总体积及重量均偏大，而小型电动多旋翼无人机一般的载重量均有限，过重的负载导致多旋翼无人机的实际留空作业时间一般在几分钟至十几分钟之间，根本无法满足象输电线路巡检等工作的最小作业时间要求。

（2）目前市面上采用的图传装置传输带宽有限，不能进行高清视频的稳定实时传输，控制操作的延时偏大，视频图像的质量欠佳。

综上所述，采取将高清成像及高带宽传输装置做高度集成的超轻量级一体化设计，有利于降低负载的整体重量，从而增加多旋翼无人机的留空作业时间。采用最新的TD-LTE 4G高带宽专网技术及通信芯片，能够实现1080P高清视频的稳定实时全帧率传输，减小控制操作的延时时间。

发明内容

针对目前多旋翼无人机普遍存在的机载成像设备及图传装置体积、重量过大及不能做到1080P高清视频图像稳定实时全帧率传输的问题，本发明提出一种机载超轻量级一体化高清成像及高带宽传输装置。将本发明装置固定在多旋翼无人机飞行平台的下方，即可实现通过本发明装置，将多旋翼无人机在飞行过程中所拍摄到的1080P高清视频图像实时传输至地面移动作业平台，进行实时高清视频监视、控制和智能分析。

本发明的技术方案如下：

一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，包括高清成像组件（1）、核心芯片（4）、TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）、天线（12）, 所述高清成像组件（1）通过接口转换（2）、控制接口（3）与核心芯片（4）相连，提供高清视频信号和摄像机控制通道；所述核心芯片（4）连接一个视频测试接口（5），提供视频输出接口；所述核心芯片（4）连接内存（6）、Flash内存（7）、SD卡（8）、千兆网口（9）、USB接口（10），用于支撑核心芯片（4）的运行并向外提供存储、访问通道；所述核心芯片（4）与控制串口（13）连接，提供嵌入式核心处理板的调试端口；所述TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）分别与核心芯片（4）和天线（12）连接，实现高清视频的高带宽无线传输；所述装置还包括一个电源管理单元（20），用于为上述各个部件供电，所述电源管理单元（20）包括一个+12V Input（14），用于接收外部12VDC直流供电。

上述电源管理单元（20）还包括5个不同电压等级输出端口，5个端口分别是+3.3V（15）、+1.2V（16）、+1.8V（17）、+1.8PLL（18）、VTT（19）。

上述装置还包括核心板，所述核心板有正面核心板（21）和背面核心板（22），所述正面核心板（21）用于承载电源管理单元（20）、核心芯片（4）、内存（6）、Flash内存（7）、SD卡（8），所述背面核心板（22）设置2个60Pin0.8mm插座头。

上述装置还包括底板，所述底板有正面底板（23）和背面底板（24），所述正面底板（23）用于承载TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）和千兆网口（9），所述背面底板（24）用于设置2个60Pin0.8mm插座头。

本发明所达到的有益效果：

1）采用高度集成的超轻量级高清视频成像及高带宽传输一体化设计解决方案。总重量小于300克，尺寸不大于50×80×60（mm）。非常适用于小型电动多旋翼无人机平台搭载，通过有效降低机载视频成像及传输装置的总重量，可明显增加小型电动多旋翼无人机的留空作业时间。据了解，本发明采用超轻量级高度集成的一体化设计解决方案为业界首创，可有效解决了目前小型电动多旋翼无人机的载重和留空时间的矛盾，具有非常巨大的实际市场使用价值。

2）本发明装置配置了目前业界成像效果、重量、体积等综合性能最好的成像组件。在具备较轻重量、较小体积的同时，又保证了有10倍的光学变焦和像素高达1920*1080/30P 的高清成像能力，使用效果可以和大型的、专业的高清摄像机相媲美。而后者是不适宜安装在小型电动多旋翼无人机上的，即便能安装，也会由于负载过重导致无人机留空时间极短，根本不能满足任务时间需求。

3）本发明装置集成了目前全球首款基于TD-LTE 4G通讯的MiniPCi专用集群处理芯片，传输带宽高达100Mbps，而重量仅为20克，这是目前国内无人机均未曾采用过的新型高带宽无线传输技术。其高清视频图像的传输速率、传输效果和实时性是其它传输方式所无法比拟的，非常适用于多旋翼无人机这类稳定性欠佳的应用环境下对目标对象的动态捕捉和对目标场景的动态调整。

4）本发明装置还内置了大容量的存储卡，能够实现高清视频图像的本地化智能存储。

5）本发明装置的核心处理芯片中内置有专门开发的视频智能分析和处理算法，能够实现最前端本地化实时智能分析，有利于与飞控系统联动，实现智能避障。

6）本发明装置和多旋翼无人机飞控系统留有通讯交互接口，因此本发明装置的高带宽通讯通道可用作无人机飞控系统的备用通讯通道，有利于大大增加无人机飞控系统通讯的可靠性。

附图说明

图1是本发明装置的原理框架示意图；

图2是本发明装置的电源管理单元示意图；

图3是本发明装置的核心板正面示意图；

图4是本发明装置的核心板背面示意图；

图5是本发明装置的底板正面示意图；

图6是本发明装置的底板背面示意图；

图7是本发明装置的应用实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，包括高清成像组件1、核心芯片4、TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11、天线12,高清成像组件1通过接口转换2、控制接口3与核心芯片4相连，提供高清视频信号和摄像机控制通道；核心芯片4连接一个视频测试接口5，提供视频输出接口；核心芯片4连接内存6、Flash内存7、SD卡8、千兆网口9、USB接口10，用于支撑核心芯片4的运行并向外提供存储、访问通道；核心芯片4与控制串口13连接，提供嵌入式核心处理板的调试端口；所述TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11分别与核心芯片4和天线12连接，实现高清视频的高带宽无线传输；装置还包括一个电源管理单元20，用于为上述各个部件供电，电源管理单元20包括一个+12V Input14，用于接收外部12VDC直流供电。

上述电源管理单元20还包括5个不同电压等级输出端口，5个端口分别是+3.3V、+1.2V、+1.8V、+1.8PLL、VTT。

上述装置还包括核心板，所述核心板有正面核心板21和背面核心板22，正面核心板21用于承载电源管理单元20、核心芯片4、内存6、Flash内存7、SD卡8，背面核心板22设置2个60Pin0.8mm插座头。

上述装置还包括底板，底板有正面底板23和背面底板24，正面底板23用于承载TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11和千兆网口9，背面底板24用于设置2个60Pin0.8mm插座头。

高清成像组件1主要技术特征：

1）像素1920*1080、210万有效像素、最高帧率30P，镜头10倍光学变焦、焦距f=4.5-45mm、光圈F1.8-2.2 ，图像输出接口16bit Digital YUV 4:2:2 ?AF、AE、AWB功能控制技术；

2）尺寸(mm)： 30.9*34.7*61.8 ；

3）电源：2.8V/4.0V ；

4）重量：57克。

核心板及底板主要技术特征：

1）采用TI嵌入式处理芯片；

2）支持多路图像同时采集处理；

3）支持H.264 High profile高清低码流编码技术；

4）支持USB或PCIE接口TD-LTE 4G通讯模块的接入；

5）板卡尺寸小，重量轻，便于同成像组件和无人机相固定。

TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11主要技术特征：

1）采用全球首款基于TD-LTE专用集群处理芯片；

2）支持灵活的上下行时隙比：3:1、2:2、1:3，实现高速数据传输；

3）可支持不同OS的驱动软件，便于适配不同终端：Linux、Android、WinCE、Win XP；

4）工作频段：1785MHz~1805MHz、1447MHz~1467MHz ；

5）工作带宽：5MHz/10MHz/20MHz；

6）最大传输速率：下行：100Mbps ；上行：50Mbps；

7）尺寸（mm）：50.95×30×4.75；

8）重量：小于20克。

实施例：

如图7所示，给出了本发明装置作为小型电动多旋翼无人机的任务载体在输电线路精细化巡检系统中的具体应用。

本发明装置26作为小型电动多旋翼无人机25的作业任务载体通过连接件（螺丝、螺栓等）被固定在多旋翼无人机中心平台的底部。本发明装置具备高清成像及高带宽实时传输的全部功能。本发明装置和多旋翼无人机是两个独立的装置，之间没有必然的联系。本发明装置本身不带电源，需要外供电。当作为多旋翼无人机的任务载体时，它的供电取至于无人机的供电电源。多旋翼无人机的飞控系统和本发明装置不一定要建立信息交互接口，但当建有信息交互接口时，本发明装置的通讯链路可当作无人机飞控系统的备用通信链路，无人机飞行数据可通过本装置的通信链路传至地面监控指挥中心，本装置的视频图像监视和分析结果也可反馈给无人机飞控系统，作为其实现智能避障功能的一个重要参量。

当开展输电线路精细化巡检作业时，搭载本发明装置的小型电动多旋翼无人机飞抵输电线路杆塔和导线附近区域（一般距离在20-50米左右），按照预先设定的巡检轨迹和停留时间间隔自动开展精细化巡检作业，当然过程可以人为干预。在整个巡检过程中，本发明装置所集成的高清成像组件1将实时对所观察到的高清视频图像进行处理并进行本地智能存储，并实时通过TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11和天线12将高清视频图像传输至地面移动车载4G基站，车载服务器在通过网线从4G基站获取高清实时视频信号后可以做实时显示和进一步处理（后台存储和后台智能分析、缺陷比对等）。

本发明装置作为多旋翼无人机的任务载体开展输电线路精细化巡检有两种工作模式：人工模式和自动模式。

人工模式工作状态下：

高清成像组件1获取输电线路杆塔或导线场景的1080P高清视频图像，通过接口转换2送至核心处理芯片4进行视频图像处理，高清视频通过SD卡8完成智能存储，通过TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块11和天线12将高清视频实时传送至地面移动巡检车27所搭载的移动4G基站，车载服务器通过网络口和4G基站相连接并获得高清视频实时图像，车载服务器对图像进行近一步处理（后台存储和后台智能分析、缺陷比对等）并通过监控中心屏幕进行实时显示。巡检人员可通过显示屏幕观察由多旋翼无人机所搭载的本发明装置所传回的1080P高清实时视频图像，及时发现线路杆塔和导线上的异物、缺陷或周边异常情况。巡检人员可根据需要，操作高清摄像机成像组件，进行监控场景的细节放大或缩小，近一步定位和分辨被监控设备的图像。

自动工作模式下：

在自动工作模式下，多旋翼无人机的飞行路径、飞行高度、悬停点、悬停时间等参数均已提前设定，在本发明装置中也已同步内置好各监控场景下高清成像组件的参数设置（如视角、焦距等），并可根据作业需要启动核心芯片4内置的实时智能视频分析功能。地面巡检人员通过车载显示终端可实时监视多旋翼无人机自动巡检作业过程，但无需人为操作。

本实施例仅为举例说明本发明装置的具体应用，不代表本发明装置仅指用作多旋翼无人机的任务装置。实际上，本发明装置可根据具体应用需要适用于各种工作场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，其特征是，包括高清成像组件（1）、核心芯片（4）、TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）、天线（12）, 所述高清成像组件（1）通过接口转换（2）、控制接口（3）与核心芯片（4）相连，提供高清视频信号和摄像机控制通道；所述核心芯片（4）连接一个视频测试接口（5），提供视频输出接口；所述核心芯片（4）连接内存（6）、Flash内存（7）、SD卡（8）、千兆网口（9）、USB接口（10），用于支撑核心芯片（4）的运行并向外提供存储、访问通道；所述核心芯片（4）与控制串口（13）连接，提供嵌入式核心处理板的调试端口；所述TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）分别与核心芯片（4）和天线（12）连接，实现高清视频的高带宽无线传输；所述装置还包括一个电源管理单元（20），用于为上述各个部件供电，所述电源管理单元（20）包括一个+12V Input（14），用于接收外部12VDC直流供电。

2.根据权利要求1所述的一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，其特征是，所述电源管理单元（20）还包括5个不同电压等级输出端口，5个端口分别是+3.3V（15）、+1.2V（16）、+1.8V（17）、+1.8PLL（18）、VTT（19）。

3.根据权利要求1所述的一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，其特征是，所述装置还包括核心板，所述核心板有正面核心板（21）和背面核心板（22），所述正面核心板（21）用于承载电源管理单元（20）、核心芯片（4）、内存（6）、Flash内存（7）、SD卡（8），所述背面核心板（22）设置2个60Pin0.8mm插座头。

4.根据权利要求1所述的一种机载超轻量级一体化高清视频成像及高带宽传输装置，其特征是，所述装置还包括底板，所述底板有正面底板（23）和背面底板（24），所述正面底板（23）用于承载TD-LTE 4G MiniPCi通讯模块（11）和千兆网口（9），所述背面底板（24）用于设置2个60Pin0.8mm插座头。