在被物联网(IoT)包围的巨大市场中,企业无人机领域呈现出了独特的机遇和挑战,尤其是在机器视觉方面。

高分辨率机器视觉对无人机的许多应用至关重要,例如电力线和电信塔的远程检测、农作物和牲畜的监测、执行工业现场的检测以及实施执法侦察等。

机器视觉还能以一种更为基本的方式,帮助实现企业无人机市场中最有价值的应用案例:它能使无人机在超出人类视距的范围内(BVLOS)工作,即无人机实现自主导航,其所到之处远远超出无人机操作员的可视范围,并能通过广域蜂窝网络和卫星网络与操作人员保持联系。超视距(BVLOS)飞行大大扩展了企业无人机的应用范围。

解决BVLOS飞行的各种挑战

无人机专家强调,探测、感知和避障(DSA)系统的发展,对超视距无人机飞行至关重要。这些系统通过确保无人机能够在各种环境中安全运行、并避开包括其他飞机在内的障碍物,大大降低了空中碰撞的风险。

图1:机器视觉使无人机能够实现超视距(BVLOS)飞行,即无人机能够在远远超出无人机操作员视觉范围的领域自主导航,并通过广域蜂窝网络和卫星网络与操作员联系。

这些解决方案需要集成高分辨率相机、激光雷达(LiDAR)和雷达。通过蜂窝网络连接,来自DSA传感器的数据能与其他无人机(UAV)或地面系统的数据融合,使无人机对其飞行环境有很好的了解,并能在这个环境中安全飞行。然而,在必要的性能、尺寸、重量和电池容量等限制条件下,设计和集成传感器及其相关组件,并不是一项轻松的任务。

这正是MIPI联盟的接口规范能够显著促进企业无人机市场持续发展的地方。MIPI规范定义了嵌入式电子器件(比如设备中的相机、显示器、传感器和通信模块)之间的标准化连接,这大大简化了设计和集成过程。MIPI规范具有与机器视觉和DSA解决方案的独特需求完美匹配的关键属性,它们包括:

•高带宽——MIPI规范对于将“无人机中的电子系统和器件”与“其他高速、高度可扩展且具有超低延迟的系统”相连接的接口,做了详细说明。使用这些接口可以实现高数据效率的操作模式。因此,这些接口能够支持广泛的成像和传感器件,从高度先进的相机到低速传感器。

•低电磁干扰——无人机设计人员面临着要满足严格的特定行业电磁兼容性(EMC)法规的挑战。通过多种技术组合,包括在高速物理层上的低电压波动和支持转换速率控制等措施,来减小电磁干扰(EMI),MIPI规范满足了无人机要求的低电磁干扰。这使得开发人员能够将物理层接口的EMI特性与终端设备的EMI需求相匹配。另外还有一个好处是能减小无人机的产品重量,这也意味着需要更少的EMI屏蔽措施。

•低功耗——MIPI规范有助于多种使用模式下,无人机器件之间的灵活、高效的数据传输。这意味着无论器件是否处于发送和接收数据的“激活”模式,功耗都保持低位;在“主动待机”模式下,数据传输率低且会中断驱动;在“完全待机”模式下,没有数据传输。

•安全——无人机市场中的设备也必须遵守严格的功能安全标准,安全极为重要。MIPI安全工作组一直在监督着安全框架的创建,希望能够从相机开始,从协议级别就提供安全保障,继而在整个数据流中提供完整的端到端保护。

•尺寸小重量轻——MIPI规格包括高性能串行接口,该接口通过使用最小数量的导线,允许设计者将接口引脚数量降至最低。这也使得芯片和印刷电路板之间的走线连接更少。器件可以紧密封装,整体设计重量大幅减轻。这些都是无人机市场的关键优势。

•支持5G服务——MIPI规范已经可以支持5G服务,包括Enhanced Mobile Broadband(增强型移动宽带)、mMTC和URLLC等服务,为无人机设计人员提供了向新兴通信和技术迁移的路径。

图2:IoT无线通信(图片来源:MIPI Alliance)

最新MIPI嵌入式相机和成像接口

新近更新的MIPI相机串行接口2(MIPI CSI-2)规范,与企业无人机市场尤其息息相关。CSI-2是一种高速协议,用于将静态和视频图像从图像传感器传输到应用处理器。它适用于许多不同应用领域中的单相机或多相机数据传输。

CSI-2接口包含许多与企业无人机市场日益增长的需求息息相关的属性和功能。例如,差分脉冲编码调制(DPCM)12-10-12压缩,在减少带宽的同时,提供无压缩失真的高质量高信噪比(SNR)图像。此外,CSI-2在v3.0版本中引入的智能化兴趣区域功能,允许分析图像、推理算法和进行更好的推断。这种能力可以使无人机监测管道,以更快地识别管道上的潜在断裂或其他异常情况。

该规范的最新版本MIPI CSI-2 v4.0于2021年底发布,它有助于开发具有更强大的机器感知能力的设备。MIPI CSI-2中的以下这些特性,在许多应用领域都已被证明非常有用,包括企业无人机领域:

•不断线功能(Always-On Sentinel Conduit:AOSC)——允许无人机和其他设备使用永远开启的机器视觉系统。超低功耗图像传感器和视频信号处理器(VSP)组合,可以持续监控周围环境,只在重大事件发生时唤醒更高功耗的主机CPU。AOSC还能以高效方式,通过低功耗MIPI I3C总线,将图像数据从无人机传输到视频信号处理器;并具有扩展选项,可以根据I3C规范的定义灵活地增加额外的I3C通道和带宽。

• 多像素压缩(Multi-Pixel Compression:MPC)——为具有多像素彩色滤光片阵列(CFA)的先进图像传感器提供优化的图像压缩。

•RAW28彩色深度像素编码——支持下一代高动态图像传感器的更高图像质量和更好的信噪比。RAW28是对之前CSI-2 v2.0中引入的RAW 16和RAW 20,以及CSI-2 v3.0中引入的RAW 24的补充。

其他相关规范

CSI-2 v4.0还支持通过低成本、低引脚数的MIPI I3C/I3C Basic双线智能串行接口传输图像。MIPI相机控制接口(CCI)可与I3C/I3C Basic配合使用,以支持高级成像性能要求,例如自动对焦和光学图像稳定(OIS)等应用。这两种成像性能的改进,都支持无人机在细节检测和监控方面的应用。

还有许多其他MIPI规范,也为企业无人机应用带来了好处:

•MIPI C-PHY和MIPI D-PHY是低引脚数串行接口,适用于连接小型无人机中的高速传感器,连接线路长度小于50cm。

•MIPI A-PHY提供了高度抗干扰、高可靠性的串行接口,接口使用同轴电缆或STP电缆连接大型无人机中的高速传感器,连接线路长度可达15m。

•MIPI UniPro和MIPI M-PHY,允许JEDEC通用闪存(UFS)能在无人机本地存储高分辨率视频。

•MIPI RFFE控制无线通信模块内的RF前端组件,如功率放大器、低噪声放大器、滤波器、开关和天线调谐器等。

•MIPI CSE是一组扩展服务模块,定义了无人机、航空服务和其他涉及相机的应用案例中,图像传感器和相关控制接口的功能安全和其他服务。

未来前景

随着欧盟航空安全局(European union Aviation Safety Agency)和美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)的监管规定使无人机应用的法律前景明朗化,全球企业无人机市场有望大幅增长。分析师报告显示,企业无人机市场将最具市场价值,预计在农业、建筑业/矿业、保险、多媒体、电信以及执法应用中的增长最为显著。

不管是降低设计复杂性和无人机重量,还是遵守EMI法规和安全法规,MIPI规范都有助于企业无人机设计人员解决面临的挑战,以抓住这一新兴市场带来的机遇。


MIPI CSI-2 Features——MIPI CSI-2的特征

Features——特征

Specification version——规范版本