一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種超輕量級的一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置，特別是采用高度集成的超輕量化設計方案，在具備高變倍1080P高清視頻成像功能的同時具備高帶寬的無線傳輸功能，特別可用作于小型電動多旋翼無人機機載超輕量級一體化高清成像及高帶寬傳輸裝置。本裝置包括高清成像組件、核心處理芯片、TD-LTE4GMiniPCi通訊模塊、天線等硬件。本發明具有高度集成、一體化設計、全幀率1080P高清視頻成像及100Mbps高帶寬傳輸等技術特點。兼具內含高性能的智能圖像分析算法和綜合智能管理功能，整體封裝，結構簡單，超輕重量、超低功耗，可適用于多種應用場合。
【專利說明】一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置，特別是采 用高度集成的超輕量化設計方案，在具備高變倍1080P高清視頻成像功能的同時具備高帶 寬的無線傳輸功能，特別可用作于小型電動多旋翼無人機機載超輕量級一體化高清成像及 高帶寬傳輸裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，國家電網公司正在大力推進無人機巡檢技術的試點應用。國網公司無人 機飛行平臺主要有三種：多旋翼無人機、無人直升機、固定翼無人機。無人機一般采用低頻 數傳電臺（傳輸指令）和視頻傳輸電臺（圖傳）實現無人機與地面的數據通信。多旋翼無人 機的主要優點是造價低、結構簡單、易于操控、可懸停，可開展可見光、紅外檢測，比較適用 于小范圍內桿塔及線路精細化巡檢和故障點查找。目前多旋翼無人機的主要缺點是載荷重 量、續航時間不能很好滿足任務要求，控制的可靠性也有待提高。目前幾乎所有型號的無人 機，由于高帶寬通信系統的缺乏，并不能做到1080P高清視頻圖像的穩定實時傳輸，不便于 實時對疑似故障點做精確定位和成像分析。特別對于小型多旋翼無人機由于載重量有限， 更無法搭載市面上通用的有較高分辨率的成像及圖傳系統。
[0003] 因此，可以說無人機巡檢最本質的東西是能否提供一個有足夠留空時間的飛行平 臺，搭載具有較大光學變焦倍數的高清成像和高帶寬的圖像傳輸系統，并且具有一個強大 的無人機巡檢作業管理和圖像智能分析系統。良好的飛行平臺、高清成像高帶寬通訊系統 及后臺智能化管理分析系統是多旋翼無人機精細化巡檢系統的三大核心技術所在。對于電 動多旋翼無人機來說，飛行的穩定性是其優勢所在，但較小的載重和較短的留空時間是其 劣勢所在。因此，研制超輕量化的高變倍1080P高清成像和高帶寬傳輸裝置，不但能充分發 揮無人機巡檢的技術優勢，而且可通過降低負載重量的方法有效增加多旋翼無人機的留空 時間。
[0004] 目前，多旋翼無人機多采用下列方法進行視頻成像及圖傳： (1)搭載市面通用型高清相機、高清攝像機、紅外熱成像儀或紫外成像儀等成像裝置。 成像裝置的重量一般都在500克到2. 5千克之間，甚至更大。
[0005] (2)視頻傳輸多采用視頻發射機(或稱圖傳電臺）。工作頻段：一般在150MHZ至 2. 7GHZ之間，通道帶寬：2-8MHZ之間，設備重量一般在300克以上。
[0006] 現有多旋翼無人機機載視頻成像裝置及圖傳裝置的主要缺點如下： (1)視頻成像及圖傳裝置一般采用通用型產品，沒有做高度集成設計，導致設備的總體 積及重量均偏大，而小型電動多旋翼無人機一般的載重量均有限，過重的負載導致多旋翼 無人機的實際留空作業時間一般在幾分鐘至十幾分鐘之間，根本無法滿足象輸電線路巡檢 等工作的最小作業時間要求。
[0007] (2)目前市面上采用的圖傳裝置傳輸帶寬有限，不能進行高清視頻的穩定實時傳 輸，控制操作的延時偏大，視頻圖像的質量欠佳。
[0008] 綜上所述，采取將高清成像及高帶寬傳輸裝置做高度集成的超輕量級一體化設 計，有利于降低負載的整體重量，從而增加多旋翼無人機的留空作業時間。采用最新的 TD-LTE 4G高帶寬專網技術及通信芯片，能夠實現1080P高清視頻的穩定實時全幀率傳輸， 減小控制操作的延時時間。
【發明內容】
[0009] 針對目前多旋翼無人機普遍存在的機載成像設備及圖傳裝置體積、重量過大及不 能做到1080P高清視頻圖像穩定實時全幀率傳輸的問題，本發明提出一種機載超輕量級一 體化高清成像及高帶寬傳輸裝置。將本發明裝置固定在多旋翼無人機飛行平臺的下方，即 可實現通過本發明裝置，將多旋翼無人機在飛行過程中所拍攝到的1080P高清視頻圖像實 時傳輸至地面移動作業平臺，進行實時高清視頻監視、控制和智能分析。
[0010] 本發明的技術方案如下： 一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置，包括高清成像組件（1)、核 心芯片（4)、TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)、天線（12)，所述高清成像組件（1)通過接 口轉換（2)、控制接口（3)與核心芯片（4)相連，提供高清視頻信號和攝像機控制通道；所述 核心芯片（4)連接一個視頻測試接口（5)，提供視頻輸出接口；所述核心芯片（4)連接內存 (6)、Flash內存（7)、SD卡（8)、千兆網口（9)、USB接口（10)，用于支撐核心芯片（4)的運行 并向外提供存儲、訪問通道；所述核心芯片（4)與控制串口（ 13)連接，提供嵌入式核心處理 板的調試端口；所述TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)分別與核心芯片（4)和天線（12)連 接，實現高清視頻的高帶寬無線傳輸；所述裝置還包括一個電源管理單元（20)，用于為上 述各個部件供電，所述電源管理單元（20)包括一個+12V Input (14)，用于接收外部12VDC 直流供電。
[0011] 上述電源管理單元（20)還包括5個不同電壓等級輸出端口，5個端口分別是+3. 3V (15)、+1.2V (16)、+1.8V (17)、+1.8PLL (18)、VTT (19)。
[0012] 上述裝置還包括核心板，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)用于承載電源管理單元（20)、核心芯片（4)、內存（6)、Flash內存（7)、SD 卡（8 )，所述背面核心板（22 )設置2個60Pin0. 8mm插座頭。
[0013] 上述裝置還包括底板，所述底板有正面底板（23)和背面底板（24)，所述正面底板 (23)用于承載TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)和千兆網口（9)，所述背面底板（24)用于 設置2個60Pin0. 8mm插座頭。
[0014] 本發明所達到的有益效果： 1)采用高度集成的超輕量級高清視頻成像及高帶寬傳輸一體化設計解決方案。總重量 小于300克，尺寸不大于50X80X60 (mm)。非常適用于小型電動多旋翼無人機平臺搭載， 通過有效降低機載視頻成像及傳輸裝置的總重量，可明顯增加小型電動多旋翼無人機的留 空作業時間。據了解，本發明采用超輕量級高度集成的一體化設計解決方案為業界首創，可 有效解決了目前小型電動多旋翼無人機的載重和留空時間的矛盾，具有非常巨大的實際市 場使用價值。
[0015] 2)本發明裝置配置了目前業界成像效果、重量、體積等綜合性能最好的成像 組件。在具備較輕重量、較小體積的同時，又保證了有10倍的光學變焦和像素高達 1920*1080/30P的高清成像能力，使用效果可以和大型的、專業的高清攝像機相媲美。而后 者是不適宜安裝在小型電動多旋翼無人機上的，即便能安裝，也會由于負載過重導致無人 機留空時間極短，根本不能滿足任務時間需求。
[0016] 3)本發明裝置集成了目前全球首款基于TD-LTE 4G通訊的MiniPCi專用集群處理 芯片，傳輸帶寬高達100Mbps，而重量僅為20克，這是目前國內無人機均未曾采用過的新型 高帶寬無線傳輸技術。其高清視頻圖像的傳輸速率、傳輸效果和實時性是其它傳輸方式所 無法比擬的，非常適用于多旋翼無人機這類穩定性欠佳的應用環境下對目標對象的動態捕 捉和對目標場景的動態調整。
[0017] 4)本發明裝置還內置了大容量的存儲卡，能夠實現高清視頻圖像的本地化智能存 儲。
[0018] 5)本發明裝置的核心處理芯片中內置有專門開發的視頻智能分析和處理算法，能 夠實現最前端本地化實時智能分析，有利于與飛控系統聯動，實現智能避障。
[0019] 6)本發明裝置和多旋翼無人機飛控系統留有通訊交互接口，因此本發明裝置的高 帶寬通訊通道可用作無人機飛控系統的備用通訊通道，有利于大大增加無人機飛控系統通 訊的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明裝置的原理框架示意圖； 圖2是本發明裝置的電源管理單元示意圖； 圖3是本發明裝置的核心板正面示意圖； 圖4是本發明裝置的核心板背面示意圖； 圖5是本發明裝置的底板正面示意圖； 圖6是本發明裝置的底板背面示意圖； 圖7是本發明裝置的應用實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0022] 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及 高帶寬傳輸裝置，包括高清成像組件1、核心芯片4、TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11、天線 12,高清成像組件1通過接口轉換2、控制接口 3與核心芯片4相連，提供高清視頻信號和攝 像機控制通道；核心芯片4連接一個視頻測試接口 5,提供視頻輸出接口；核心芯片4連接 內存6、Flash內存7、SD卡8、千兆網口 9、USB接口 10,用于支撐核心芯片4的運行并向外 提供存儲、訪問通道；核心芯片4與控制串口 13連接，提供嵌入式核心處理板的調試端口； 所述TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11分別與核心芯片4和天線12連接，實現高清視頻的 高帶寬無線傳輸；裝置還包括一個電源管理單元20,用于為上述各個部件供電，電源管理 單元20包括一個+12V Inputl4,用于接收外部12VDC直流供電。
[0023] 上述電源管理單元20還包括5個不同電壓等級輸出端口，5個端口分別是+3. 3V、 +1. 2V、+1. 8V、+1. 8PLL、VTT。
[0024] 上述裝置還包括核心板，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用于承載電源管理單元20、核心芯片4、內存6、Flash內存7、SD卡8,背面核心板22 設置2個60Pin0. 8mm插座頭。
[0025] 上述裝置還包括底板，底板有正面底板23和背面底板24,正面底板23用于承載 TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11和千兆網口 9,背面底板24用于設置2個60Pin0. 8mm插 座頭。
[0026] 高清成像組件1主要技術特征： 1) 像素1920*1080、210萬有效像素、最高幀率30P，鏡頭10倍光學變焦、焦距 f=4.5-45mm、光圈 F1. 8-2.2，圖像輸出接口 16bit Digital YUV 4:2:2 .AF、AE、AWB 功能 控制技術； 2) 尺寸（mm) : 30. 9*34. 7*61. 8 ； 3) 電源：2. 8V/4. 0V ; 4) 重量：57克。
[0027] 核心板及底板主要技術特征： 1) 采用TI嵌入式處理芯片； 2) 支持多路圖像同時采集處理； 3) 支持H. 264 High profile高清低碼流編碼技術； 4) 支持USB或PCIE接口 TD-LTE 4G通訊模塊的接入； 5 )板卡尺寸小，重量輕，便于同成像組件和無人機相固定。
[0028] TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11主要技術特征： 1) 采用全球首款基于TD-LTE專用集群處理芯片； 2) 支持靈活的上下行時隙比：3:1、2:2、1:3，實現高速數據傳輸； 3) 可支持不同0S的驅動軟件，便于適配不同終端：Linux、Android、WinCE、Win XP ; 4) 工作頻段：1785MHz?1805MHz、1447MHz?1467MHz ; 5) 工作帶寬：5MHz/10MHz/20MHz ; 6) 最大傳輸速率：下行：100Mbps ;上行：50Mbps ; 7) 尺寸（mm) :50. 95X30X4. 75 ; 8) 重量：小于20克。
[0029] 實施例： 如圖7所示，給出了本發明裝置作為小型電動多旋翼無人機的任務載體在輸電線路精 細化巡檢系統中的具體應用。
[0030] 本發明裝置26作為小型電動多旋翼無人機25的作業任務載體通過連接件(螺絲、 螺栓等）被固定在多旋翼無人機中心平臺的底部。本發明裝置具備高清成像及高帶寬實時 傳輸的全部功能。本發明裝置和多旋翼無人機是兩個獨立的裝置，之間沒有必然的聯系。本 發明裝置本身不帶電源，需要外供電。當作為多旋翼無人機的任務載體時，它的供電取至于 無人機的供電電源。多旋翼無人機的飛控系統和本發明裝置不一定要建立信息交互接口， 但當建有信息交互接口時，本發明裝置的通訊鏈路可當作無人機飛控系統的備用通信鏈 路，無人機飛行數據可通過本裝置的通信鏈路傳至地面監控指揮中心，本裝置的視頻圖像 監視和分析結果也可反饋給無人機飛控系統，作為其實現智能避障功能的一個重要參量。
[0031] 當開展輸電線路精細化巡檢作業時，搭載本發明裝置的小型電動多旋翼無人機飛 抵輸電線路桿塔和導線附近區域(一般距離在20-50米左右)，按照預先設定的巡檢軌跡和 停留時間間隔自動開展精細化巡檢作業，當然過程可以人為干預。在整個巡檢過程中，本發 明裝置所集成的高清成像組件1將實時對所觀察到的高清視頻圖像進行處理并進行本地 智能存儲，并實時通過TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11和天線12將高清視頻圖像傳輸至 地面移動車載4G基站，車載服務器在通過網線從4G基站獲取高清實時視頻信號后可以做 實時顯示和進一步處理(后臺存儲和后臺智能分析、缺陷比對等)。
[0032] 本發明裝置作為多旋翼無人機的任務載體開展輸電線路精細化巡檢有兩種工作 模式：人工模式和自動模式。
[0033] 人工模式工作狀態下： 高清成像組件1獲取輸電線路桿塔或導線場景的1080P高清視頻圖像，通過接口轉換2 送至核心處理芯片4進行視頻圖像處理，高清視頻通過SD卡8完成智能存儲，通過TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11和天線12將高清視頻實時傳送至地面移動巡檢車27所搭載的移 動4G基站，車載服務器通過網絡口和4G基站相連接并獲得高清視頻實時圖像，車載服務器 對圖像進行近一步處理(后臺存儲和后臺智能分析、缺陷比對等）并通過監控中心屏幕進行 實時顯示。巡檢人員可通過顯示屏幕觀察由多旋翼無人機所搭載的本發明裝置所傳回的 1080P高清實時視頻圖像，及時發現線路桿塔和導線上的異物、缺陷或周邊異常情況。巡檢 人員可根據需要，操作高清攝像機成像組件，進行監控場景的細節放大或縮小，近一步定位 和分辨被監控設備的圖像。
[0034]自動工作模式下： 在自動工作模式下，多旋翼無人機的飛行路徑、飛行高度、懸停點、懸停時間等參數均 已提前設定，在本發明裝置中也已同步內置好各監控場景下高清成像組件的參數設置(如 視角、焦距等)，并可根據作業需要啟動核心芯片4內置的實時智能視頻分析功能。地面巡 檢人員通過車載顯示終端可實時監視多旋翼無人機自動巡檢作業過程，但無需人為操作。
[0035] 本實施例僅為舉例說明本發明裝置的具體應用，不代表本發明裝置僅指用作多旋 翼無人機的任務裝置。實際上，本發明裝置可根據具體應用需要適用于各種工作場合。
[0036] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置，其特征是，包括高清成 像組件（1)、核心芯片（4)、TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)、天線（12)，所述高清成像組 件（1)通過接口轉換（2)、控制接口（3)與核心芯片（4)相連，提供高清視頻信號和攝像機 控制通道；所述核心芯片（4)連接一個視頻測試接口（5)，提供視頻輸出接口；所述核心芯 片（4)連接內存（6)、Flash內存（7)、SD卡（8)、千兆網口（9)、USB接口（10)，用于支撐核 心芯片（4)的運行并向外提供存儲、訪問通道；所述核心芯片（4)與控制串口（ 13)連接，提 供嵌入式核心處理板的調試端口；所述TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)分別與核心芯片 (4)和天線（12)連接，實現高清視頻的高帶寬無線傳輸；所述裝置還包括一個電源管理單 元（20)，用于為上述各個部件供電，所述電源管理單元（20)包括一個+12V Input (14)，用 于接收外部12VDC直流供電。
2. 根據權利要求1所述的一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝 置，其特征是，所述電源管理單元（20)還包括5個不同電壓等級輸出端口，5個端口分別是 +3.3V (15)、+1.2V (16)、+1.8V (17)、+1.8PLL (18)、VTT (19)。
3. 根據權利要求1所述的一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置， 其特征是，所述裝置還包括核心板，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)用于承載電源管理單元（20)、核心芯片（4)、內存（6)、Flash內存（7)、 SD卡（8)，所述背面核心板（22)設置2個60Pin0. 8mm插座頭。
4. 根據權利要求1所述的一種機載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置， 其特征是，所述裝置還包括底板，所述底板有正面底板（23)和背面底板（24)，所述正面底 板（23)用于承載TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊（11)和千兆網口（9)，所述背面底板（24)用 于設置2個60Pin0. 8mm插座頭。
【文檔編號】H04N7/015GK104065860SQ201410271723
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】徐長福, 何在軍, 何燦國, 何力波, 何勇 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 深圳市海立川科技有限公司, 蘇州奧奎拉電子科技有限公司