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無人機(jī)圖傳:無人機(jī)如何在低功耗前提下實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離圖傳

發(fā)布日期:2016-10-10??來源:機(jī)器人網(wǎng)我要投稿我要評論
 

(原標(biāo)題:【技術(shù)】無人機(jī)如何在低功耗前提下實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無人機(jī)圖傳

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大疆新品Mavic的“7公里無人機(jī)圖傳”讓人睜大了眼,驚訝之余人們都對無人機(jī)遠(yuǎn)距離圖傳產(chǎn)生了興趣,無人機(jī)想要做超遠(yuǎn)距離圖傳究竟需要什么樣的技術(shù)呢?圖傳的距離和功耗在無人機(jī)上如何進(jìn)行平衡?技術(shù)實現(xiàn)上有什么樣的難度?為了解決這些問題,我們邀請了上海大楚電子創(chuàng)始人兼CEO、上海后洪電子創(chuàng)始人汪東為我們講述“無人機(jī)圖傳的那些事”。以下是汪東在硬創(chuàng)公開課的演講摘編。

無人機(jī)圖傳

 無線傳輸途徑和特點(diǎn)

途徑

實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離有很多選擇,可以是有線的,也可以是無線的。在一般情況下,肯定是有線傳輸更加的遠(yuǎn),上萬公里傳輸都是可以的。拿語音傳輸來說,當(dāng)面對話靠聲波傳輸,雖然聲波傳輸距離很短,但是不借助高科技手段也是可以的(比如我們上學(xué)時候?qū)W的“紙杯電話”)。而圖像的話就必須要通過現(xiàn)代通訊手段才行,比如光纖。無人機(jī)圖傳

 電磁波的頻率

提到現(xiàn)代通訊手段,就要講到電磁波頻率,通常來說,電磁波頻率越低傳播越遠(yuǎn)。比如軍事活動所需要的保密通訊電話的傳輸,就屬于超短波頻率,傳輸比較遠(yuǎn),地面通訊一般使用這種頻率(對講機(jī)等)。而一些需要中繼傳遞的通訊方式(通過中繼塔臺等)用的是短波,短波就比超短波頻率更低,能傳播的更遠(yuǎn),幾百公里上千公里都是可以的,比如VOA的電臺用的就是短波頻率。

遠(yuǎn)距離傳輸肯定是數(shù)據(jù)量越窄傳播的越遠(yuǎn),發(fā)射功率越大靈敏度越高,由此就涉及到了功率的問題。

 功率

想要超遠(yuǎn)距離發(fā)射信息,功率越大發(fā)射越遠(yuǎn)。像那些架在高的地方的電視塔都是功率幾千瓦甚至上萬瓦的。舉個簡單的例子,比如廣播通過塔臺發(fā)射之后,很大面積地區(qū)都能收到廣播,這個功率肯定小不了,電視工作者如果暴露在發(fā)射設(shè)備下那么對身體的傷害是非常大的。

無人機(jī)圖傳

北京廣播電視塔

綜上,各種運(yùn)營商的設(shè)備同理,他們加大基站或者塔臺的功率,都是為了傳的更遠(yuǎn)。

 帶寬

帶寬語音一般來說都是3K左右,因為普通人說話3K就夠了,如果能夠壓縮的話幾百K就夠了,所以語音的傳輸帶寬是非常小的。而現(xiàn)在無人機(jī)的帶寬都是以M起步,這對遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶魬?zhàn)就大了很多。傳輸距離取決于靈敏度,根據(jù)香農(nóng)公式,帶寬增加十倍,靈敏度就下降十倍,所以帶寬對于無線傳輸來說是很珍貴的。無人機(jī)圖傳

 圖像傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

 圖像傳輸跟普通信號傳輸相比特點(diǎn)還是比較鮮明的:

1、圖像傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)量太大了。TXT等文件通常都是幾K起步,而圖像數(shù)據(jù)量就大得多,比如iPhone隨意照張照片就要幾M了,所以需要的帶寬要很高。

2、圖像傳輸不能有時延,跟大家看電影一樣,有卡頓就不能忍受了,此外,我們看電影,高清圖像就很爽,模糊就受不了。

綜上,無人機(jī)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)就是,數(shù)據(jù)量大,延遲要求要低。這都是無線傳輸最難管控的地方。

 無人機(jī)超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?/strong>

上文說過,圖像傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是圖像質(zhì)量要求高,實時畫面監(jiān)控延遲要低,除了這兩點(diǎn)外還有一些問題:

因為無人機(jī)是便攜設(shè)備,所以它的功率不可能非常的大,所以傳輸功耗要小,但是功耗小與距離遠(yuǎn)就是矛盾的。

另外,無人機(jī)傳輸要抗干擾能力強(qiáng),因為無人機(jī)經(jīng)常要在人群密集或者有電磁干擾等環(huán)境復(fù)雜的情況下進(jìn)行工作,這樣難免傳輸會受到外界影響,這也是個問題。

世界上對無人機(jī)傳輸也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)也對無人機(jī)傳輸有了一些限制。

傳得遠(yuǎn)首先要過功耗功率這一關(guān)。世界上對無人機(jī)有功耗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,比如歐洲要過CE,美國要過FCC,無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)涉及無線通訊方面就是EMC電池兼容方面的要求、功耗和發(fā)射功率不能超過多少等等。比如大疆精靈4的CE要求是20、FCC要求23,最新的產(chǎn)品御CE要求23、FCC要求26,這些都給無人機(jī)的傳輸進(jìn)行了限制。

除了這些要求還有電池的發(fā)展局限性,這個是個傳輸以外的問題,在這里就不多談了。

無人機(jī)圖傳

大疆精靈4

綜上,無人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊螅偨Y(jié)來說就是:質(zhì)量要高,功率要低,抗干擾能力要強(qiáng),傳輸距離要遠(yuǎn),國家法律法規(guī)的限制以及電池技術(shù)的發(fā)展。無人機(jī)圖傳

 距離與功耗的平衡

說了這么多要求,就要講一下,無人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸最重要的一點(diǎn),也就是距離與功耗的平衡。

根據(jù)香農(nóng)公式,距離和帶寬有關(guān)系,距離遠(yuǎn)帶寬就要窄,之所以限制很多飛行設(shè)備都在用一些快要淘汰的調(diào)制技術(shù)(比如飛機(jī)要調(diào)幅波),就是需要平衡傳輸距離和功耗之間的關(guān)系。

我需要傳得遠(yuǎn),那么功率就要大,但是政策上有規(guī)定功率功耗不能大,唯一可以改善的就是信道信源相關(guān)的技術(shù),也就是無限通訊最重要的技術(shù)。

在同樣的功耗、其他部件減輕、電池優(yōu)化的情況下,把帶寬壓縮,不要把圖像完全無失真的去傳輸,才能保證距離與功耗相對的平衡。當(dāng)然,這個就是要根據(jù)研發(fā)的水平來了,拿大疆舉例,無人機(jī)需要30分鐘續(xù)航,那么電池就確定了,體重也確定了,發(fā)射功耗確定了,要提高距離就要優(yōu)化無線傳輸?shù)募夹g(shù),目前那些技術(shù)是用在無人機(jī)圖傳方面的技術(shù)呢?

無人機(jī)圖傳

Mavic實時圖傳

無人機(jī)圖傳技術(shù)

先用形象的方式介紹幾個名詞(學(xué)通訊相關(guān)的同學(xué)可以跳過這一部分):

信道:通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?,好比是高架橋?/p>

信源:信源是產(chǎn)生各類信息的實體,好比是載滿水泥的大卡車。

編碼:好比是快遞與打包,為了傳輸過程中有無損壞。

擴(kuò)頻:是一種信息處理改善傳輸性能的技術(shù),好比是八路,隱蔽性高、抗干擾能力強(qiáng)。

 調(diào)制:好比是新的交通工具,減少傳遞步驟。

具體來說,圖傳就是要把一個東西準(zhǔn)確、快速的從一個地方傳遞到另一個地方,要抗干擾,還要抓重點(diǎn)。所以信源和信道就要改善,關(guān)于信道技術(shù)就是抓重點(diǎn)的基礎(chǔ),比如目前常見的MPEG-2、MPEG-4等技術(shù),簡單地說就是把圖片的重點(diǎn)壓縮,抓住重點(diǎn)傳輸。信道編碼就是為了減少碼元數(shù)率,減少帶寬占用,因為傳輸跟帶寬有關(guān)系,抓住重點(diǎn)可以避免浪費(fèi)功率。

目前無人機(jī)圖傳主流的技術(shù)由OFDM、WiFi等。

OFDM

在技術(shù)上,目前很多無人機(jī)喜歡用的傳輸技術(shù)為OFDM,是多載波調(diào)制的一種,該技術(shù)更適合于高速數(shù)據(jù)的傳輸,OFDM有很多優(yōu)勢,比如在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)、能夠?qū)诡l率選擇性衰落或窄帶干擾等等。

 但是,OFDM也有缺點(diǎn):

載波頻率偏移

對相位噪聲和載波頻偏十分敏感

峰均比比較高

所以把這三個缺陷瓶頸解決掉才是完美的技術(shù)。

WIFI

除了OFDM之外,很多廠家也都在使用WiFi技術(shù),可能WiFi說出來讓人感覺很低端,其實不是這樣的,WiFi技術(shù)也在不停的進(jìn)步。

WiFi傳輸是具有高性價比的無人機(jī)圖傳使用最廣泛的技術(shù),但是因為WiFi在技術(shù)上有很多限定,且不可修改的,并且很多廠家都是拿來方案直接搭建,所以其缺點(diǎn)也十分突出:比如芯片設(shè)計成什么格式就是什么格式的,無法修改,技術(shù)比較固化;干擾管理策略實時性不強(qiáng);信道利用率比較低等等。無人機(jī)圖傳

另外WiFi傳輸還有跟物理層的銜接不緊密的缺點(diǎn),導(dǎo)致反應(yīng)不迅速,傳輸時延較大,最多有秒級的時延。

無人機(jī)如何在低功耗前提下實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離圖傳

在FPV模式下更需要低時延才行

說到時延,端到端的時延主要有以下幾個方面:

高層組包時延

高層到物理層的時延

時隙資源分配機(jī)制導(dǎo)致的時延

傳播的時延

物理層處理時延,解調(diào)解碼等

高層處理時延

這兩種圖傳方式應(yīng)該是目前無人機(jī)圖傳的主流。

其實總體來說,無人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸其實就是距離和功耗之間的平衡,其中還涉及了很多調(diào)制技術(shù),比如用擴(kuò)頻來提高抗干擾能力、信道信源技術(shù)的優(yōu)化等等。大疆以前是使用的WiFi技術(shù),現(xiàn)在用的是軟件無線電SDR,軟件無線電其實只是一個概念,其實里面的技術(shù)還是OFDM傳輸技術(shù),它也不比WiFi高明太多,只不過大疆自己優(yōu)化了系統(tǒng),更適合它的無人機(jī),所以7公里圖傳雖然聽上去特別牛,其實是功耗和距離平衡之間的傳輸以及傳輸技術(shù)的調(diào)制掌握的比較好。無人機(jī)圖傳

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