一种应用在无人机上的视频叠加模块的设计

2019-12-01龙吉

电子技术与软件工程 2019年3期

文/龙吉

经过多年的发展，视频叠加技术已经非常成熟，常常在监控摄像头、摄像机、图像处理上看到，如当前日期、时间、地点、电池电量、位置等信息叠加在图像上，让用户直观了解设备的工作状态等信息。这些信息的获取，大部分是通过以下两种方式，与主控制器通信间接获取；外接信息电路直接获取。如摄像机电池电量、剩余拍摄时间等信息就是通过和主控制器或者协处理器通信而获得的信息并叠加到监控屏幕上的；有些监控摄像头上的时间信息时外接时钟电路直接获取并叠加上去的。

目前国内外使用最多的是OSD模块都是起源于google上的minimosd项目。该项目版本截止于2012年，最终版本号为2.0，由于该年代技术限制，其硬件解决方案采用的是Atmel公司的ATMEGA328芯片作为主控芯片，具有32KB的Flash，2KB的SRAM和1KB的E2PROM,参与视频字符叠加芯片采用美信（Maxim）公司的MAX7456，对于这样的配置也仅仅相当于Arduino的nano级别，因为内部资源匮乏，功能仅完成对飞行数据的读取并叠加在图像中，虽然在后期托管在github上的minimosd-extra 2.4版本在原有版本的基础上扩展了对MAVlink协议的支持，但是硬件系统仍没有变化，造成了该模块有很多局限性，比如在失去飞行图像时无法正常叠加飞行数据，即摄像头输出图像丢失时，该模块无法识别图像信号是NTSC制式还是PAL制式，内部程序会卡在识别制式循环中，无法正常显示飞行数据信息。

本项目主要研究内容是采用基于32位ARM芯片的STM32作为主控芯片，对传统的OSD模块内部结构进行改进设计，使其更加适合FPV。为了提升这种模块的兼容性，有些飞行数据是外接电路直接获取的。为了提升直观性，摒弃传统的OSD将数据的堆积，直接将各类数据叠加显示在图像上的做法，而是将一部分飞行数据计算后通过图示的方式的显示出来，更加直观的反映飞行数据，操控者可以快速获知当前飞行状态，便于集中精力控制无人机。

1 视频叠加模块的硬件设计

当前国内外适用于无人机的飞行控制系统（简称飞控）多种多样，通信协议也有很多，如APM、PX4、pixhawk等的MAVlink协议；DJI的CAN（Controller Area Network）协议；MWC的MSP（multiWii Serial Protocol）协议，视频叠加模块想要获取飞控内部惯性测量单元（IMU）的信息需要兼容以上多种协议，很大程度增加模块的接口电路的复杂程度和逻辑判断压力，为了让本设计的视频叠加模块的兼容性更好，飞行数据大部分是外接电路直接获取，只需要将FPV的摄像头输出的视频信号和本设计中的视频叠加模块连接即可。

1.1 STM32F405RGT6主控制核心

视频叠加模块的微控制器采用意法半导体的STM32F405系列32位微控制器，在运行实时操作系统和GUI上具有较好的性能，可达168MHz，具有1MB FLASH。主控制核心的主要作用是将外接的IMU电路中的陀螺仪、加速度（角度、电子罗盘）传感器、气压传感器等信息经过滤波、解算、数字滤波后，控制字符和图形叠加芯片中进行叠加处理，其中为了更加直观的了解IMU电路中的数据，主控制核心是将数据整合成一个3D图形展示出来的，通过3D图形的姿态的变化直观的看到无人机的姿态。

1.2 惯性测量单元电路

这部分电路由三轴加速度传感器MPU6000、陀螺仪ST L3GD20、磁传感器ST LSM303D及气压传感器MS5611组成，以上传感器均使用3.3V供电，惯性测量单元电路是为了提升视频叠加模块的兼容性而独立设置的电路，而实际上，飞控内部也有一套或者多套惯性测量单元电路，但是有些商业级飞控是无法通过通信获取这些信息的，所以设计中的视频叠加模块外置了IMU电路。

1.3 视频叠加电路

视频叠加芯片采用美信公司的MAX7456，设计中主要通过这种芯片将数据和图形叠加到视频中，MAX7456不需要外部视频驱动器、视频同步分离器和视频开关，器件可以提供525和625线标准的256个可编程单色字符，它的显示存储器SRAM可以存储480个字符地址，对于图形编辑来讲足够使用。

1.4 标准视频信号发生电路

在某些极端的环境中或者出现故障，无人机的FPV摄像头输出的视频信号丢失时，很容易出现地面站无法实时看到无人机的实时姿态和信息，因为视频信号丢失，无人机的姿态信息、空速、GPS等信息也无法叠加到视频信号中，为了解决这个问题，设计的视频叠加模块增加了一个标准视频信号发生电路，当模块的主控制核心发现FPV摄像头的视频信号丢失时，立刻产生一个标准的视频信号以供叠加，地面站在没有图像的情况下，仍可以实时观察到无人机的姿态等信息。

2 视频叠加模块的软件设计

视频叠加模块的软件重点在IMU电路的解算及滤波上，设计中采用基于四元数的互补滤波解算姿态，这种算法是将各个信息融合解算，使解算结果趋于稳定。这部分属于惯性导航和多种传感器的数据融合，其中加速度传感器的低频特性较好，累计误差较小，而陀螺仪累计误差会越来越大，所以在互补滤波算法上根据他们的特性给予这两种数据不同的权重进行姿态解算，每隔一段时间使用加速度的数据校准一下陀螺仪数据，从而得到最优值。