一種機(jī)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(fā)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(shè)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(jī)機(jī)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(fā)明具有高度集成、一體化設(shè)計、全幀率1080P高清視頻成像及100Mbps高帶寬傳輸?shù)燃夹g(shù)特點。兼具內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單，超輕重量、超低功耗，可適用于多種應(yīng)用場合。
【專利說明】一種機(jī)載超輕量級一體化高清視頻成像及高帶寬傳輸裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)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(shè)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(jī)機(jī)載超輕量級一體化高清成像及 高帶寬傳輸裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，國家電網(wǎng)公司正在大力推進(jìn)無人機(jī)巡檢技術(shù)的試點應(yīng)用。國網(wǎng)公司無人 機(jī)飛行平臺主要有三種：多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)。無人機(jī)一般采用低頻 數(shù)傳電臺（傳輸指令）和視頻傳輸電臺（圖傳）實現(xiàn)無人機(jī)與地面的數(shù)據(jù)通信。多旋翼無人 機(jī)的主要優(yōu)點是造價低、結(jié)構(gòu)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(nèi)桿塔及線路精細(xì)化巡檢和故障點查找。目前多旋翼無人機(jī)的主要缺點是載荷重 量、續(xù)航時間不能很好滿足任務(wù)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(jī)，由于高帶寬通信系統(tǒng)的缺乏，并不能做到1080P高清視頻圖像的穩(wěn)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(jī)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(tǒng)。
[0003] 因此，可以說無人機(jī)巡檢最本質(zhì)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(xué)變焦倍數(shù)的高清成像和高帶寬的圖像傳輸系統(tǒng)，并且具有一個強(qiáng)大 的無人機(jī)巡檢作業(yè)管理和圖像智能分析系統(tǒng)。良好的飛行平臺、高清成像高帶寬通訊系統(tǒng) 及后臺智能化管理分析系統(tǒng)是多旋翼無人機(jī)精細(xì)化巡檢系統(tǒng)的三大核心技術(shù)所在。對于電 動多旋翼無人機(jī)來說，飛行的穩(wěn)定性是其優(yōu)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(fā) 揮無人機(jī)巡檢的技術(shù)優(yōu)勢，而且可通過降低負(fù)載重量的方法有效增加多旋翼無人機(jī)的留空 時間。
[0004] 目前，多旋翼無人機(jī)多采用下列方法進(jìn)行視頻成像及圖傳： (1)搭載市面通用型高清相機(jī)、高清攝像機(jī)、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(fā)射機(jī)(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(shè)備重量一般在300克以上。
[0006] 現(xiàn)有多旋翼無人機(jī)機(jī)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(chǎn)品，沒有做高度集成設(shè)計，導(dǎo)致設(shè)備的總體 積及重量均偏大，而小型電動多旋翼無人機(jī)一般的載重量均有限，過重的負(fù)載導(dǎo)致多旋翼 無人機(jī)的實際留空作業(yè)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(yè)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(jìn)行高清視頻的穩(wěn)定實時傳 輸，控制操作的延時偏大，視頻圖像的質(zhì)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(shè) 計，有利于降低負(fù)載的整體重量，從而增加多旋翼無人機(jī)的留空作業(yè)時間。采用最新的 TD-LTE 4G高帶寬專網(wǎng)技術(shù)及通信芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)1080P高清視頻的穩(wěn)定實時全幀率傳輸， 減小控制操作的延時時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對目前多旋翼無人機(jī)普遍存在的機(jī)載成像設(shè)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(wěn)定實時全幀率傳輸?shù)膯栴}，本發(fā)明提出一種機(jī)載超輕量級一 體化高清成像及高帶寬傳輸裝置。將本發(fā)明裝置固定在多旋翼無人機(jī)飛行平臺的下方，即 可實現(xiàn)通過本發(fā)明裝置，將多旋翼無人機(jī)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(yè)平臺，進(jìn)行實時高清視頻監(jiān)視、控制和智能分析。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種機(jī)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(zhuǎn)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(jī)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(nèi)存 (6)、Flash內(nèi)存（7)、SD卡（8)、千兆網(wǎng)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(diào)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(xiàn)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(nèi)存（6)、Flash內(nèi)存（7)、SD 卡（8 )，所述背面核心板（22 )設(shè)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(wǎng)口（9)，所述背面底板（24)用于 設(shè)置2個60Pin0. 8mm插座頭。
[0014] 本發(fā)明所達(dá)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(shè)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(jī)平臺搭載， 通過有效降低機(jī)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(jī)的留 空作業(yè)時間。據(jù)了解，本發(fā)明采用超輕量級高度集成的一體化設(shè)計解決方案為業(yè)界首創(chuàng)，可 有效解決了目前小型電動多旋翼無人機(jī)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(fā)明裝置配置了目前業(yè)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(xué)變焦和像素高達(dá) 1920*1080/30P的高清成像能力，使用效果可以和大型的、專業(yè)的高清攝像機(jī)相媲美。而后 者是不適宜安裝在小型電動多旋翼無人機(jī)上的，即便能安裝，也會由于負(fù)載過重導(dǎo)致無人 機(jī)留空時間極短，根本不能滿足任務(wù)時間需求。
[0016] 3)本發(fā)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(dá)100Mbps，而重量僅為20克，這是目前國內(nèi)無人機(jī)均未曾采用過的新型 高帶寬無線傳輸技術(shù)。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(jī)這類穩(wěn)定性欠佳的應(yīng)用環(huán)境下對目標(biāo)對象的動態(tài)捕 捉和對目標(biāo)場景的動態(tài)調(diào)整。
[0017] 4)本發(fā)明裝置還內(nèi)置了大容量的存儲卡，能夠?qū)崿F(xiàn)高清視頻圖像的本地化智能存 儲。
[0018] 5)本發(fā)明裝置的核心處理芯片中內(nèi)置有專門開發(fā)的視頻智能分析和處理算法，能 夠?qū)崿F(xiàn)最前端本地化實時智能分析，有利于與飛控系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)智能避障。
[0019] 6)本發(fā)明裝置和多旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)留有通訊交互接口，因此本發(fā)明裝置的高 帶寬通訊通道可用作無人機(jī)飛控系統(tǒng)的備用通訊通道，有利于大大增加無人機(jī)飛控系統(tǒng)通 訊的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明裝置的原理框架示意圖； 圖2是本發(fā)明裝置的電源管理單元示意圖； 圖3是本發(fā)明裝置的核心板正面示意圖； 圖4是本發(fā)明裝置的核心板背面示意圖； 圖5是本發(fā)明裝置的底板正面示意圖； 圖6是本發(fā)明裝置的底板背面示意圖； 圖7是本發(fā)明裝置的應(yīng)用實施例示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022] 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，一種機(jī)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(zhuǎn)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(jī)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(nèi)存6、Flash內(nèi)存7、SD卡8、千兆網(wǎng)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(diào)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(xiàn)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(nèi)存6、Flash內(nèi)存7、SD卡8,背面核心板22 設(shè)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(wǎng)口 9,背面底板24用于設(shè)置2個60Pin0. 8mm插 座頭。
[0026] 高清成像組件1主要技術(shù)特征： 1) 像素1920*1080、210萬有效像素、最高幀率30P，鏡頭10倍光學(xué)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(shù)； 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(shù)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(shù)； 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(jī)相固定。
[0028] TD-LTE 4G MiniPCi通訊模塊11主要技術(shù)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸； 3) 可支持不同0S的驅(qū)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(fā)明裝置作為小型電動多旋翼無人機(jī)的任務(wù)載體在輸電線路精 細(xì)化巡檢系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。
[0030] 本發(fā)明裝置26作為小型電動多旋翼無人機(jī)25的作業(yè)任務(wù)載體通過連接件(螺絲、 螺栓等）被固定在多旋翼無人機(jī)中心平臺的底部。本發(fā)明裝置具備高清成像及高帶寬實時 傳輸?shù)娜抗δ?。本發(fā)明裝置和多旋翼無人機(jī)是兩個獨立的裝置，之間沒有必然的聯(lián)系。本 發(fā)明裝置本身不帶電源，需要外供電。當(dāng)作為多旋翼無人機(jī)的任務(wù)載體時，它的供電取至于 無人機(jī)的供電電源。多旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)和本發(fā)明裝置不一定要建立信息交互接口， 但當(dāng)建有信息交互接口時，本發(fā)明裝置的通訊鏈路可當(dāng)作無人機(jī)飛控系統(tǒng)的備用通信鏈 路，無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)可通過本裝置的通信鏈路傳至地面監(jiān)控指揮中心，本裝置的視頻圖像 監(jiān)視和分析結(jié)果也可反饋給無人機(jī)飛控系統(tǒng)，作為其實現(xiàn)智能避障功能的一個重要參量。
[0031] 當(dāng)開展輸電線路精細(xì)化巡檢作業(yè)時，搭載本發(fā)明裝置的小型電動多旋翼無人機(jī)飛 抵輸電線路桿塔和導(dǎo)線附近區(qū)域(一般距離在20-50米左右)，按照預(yù)先設(shè)定的巡檢軌跡和 停留時間間隔自動開展精細(xì)化巡檢作業(yè)，當(dāng)然過程可以人為干預(yù)。在整個巡檢過程中，本發(fā) 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(jìn)行處理并進(jìn)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(wù)器在通過網(wǎng)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(jìn)一步處理(后臺存儲和后臺智能分析、缺陷比對等)。
[0032] 本發(fā)明裝置作為多旋翼無人機(jī)的任務(wù)載體開展輸電線路精細(xì)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(tài)下： 高清成像組件1獲取輸電線路桿塔或?qū)Ь€場景的1080P高清視頻圖像，通過接口轉(zhuǎn)換2 送至核心處理芯片4進(jìn)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(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)口和4G基站相連接并獲得高清視頻實時圖像，車載服務(wù)器 對圖像進(jìn)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(jiān)控中心屏幕進(jìn)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(jī)所搭載的本發(fā)明裝置所傳回的 1080P高清實時視頻圖像，及時發(fā)現(xiàn)線路桿塔和導(dǎo)線上的異物、缺陷或周邊異常情況。巡檢 人員可根據(jù)需要，操作高清攝像機(jī)成像組件，進(jìn)行監(jiān)控場景的細(xì)節(jié)放大或縮小，近一步定位 和分辨被監(jiān)控設(shè)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(jī)的飛行路徑、飛行高度、懸停點、懸停時間等參數(shù)均 已提前設(shè)定，在本發(fā)明裝置中也已同步內(nèi)置好各監(jiān)控場景下高清成像組件的參數(shù)設(shè)置(如 視角、焦距等)，并可根據(jù)作業(yè)需要啟動核心芯片4內(nèi)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(jiān)視多旋翼無人機(jī)自動巡檢作業(yè)過程，但無需人為操作。
[0035] 本實施例僅為舉例說明本發(fā)明裝置的具體應(yīng)用，不代表本發(fā)明裝置僅指用作多旋 翼無人機(jī)的任務(wù)裝置。實際上，本發(fā)明裝置可根據(jù)具體應(yīng)用需要適用于各種工作場合。
[0036] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種機(jī)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(zhuǎn)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(jī) 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(nèi)存（6)、Flash內(nèi)存（7)、SD卡（8)、千兆網(wǎng)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(diào)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(xiàn)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)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(nèi)存（6)、Flash內(nèi)存（7)、 SD卡（8)，所述背面核心板（22)設(shè)置2個60Pin0. 8mm插座頭。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)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(wǎng)口（9)，所述背面底板（24)用 于設(shè)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(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】徐長福, 何在軍, 何燦國, 何力波, 何勇 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學(xué)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