基于Minim OSD的水质采样船状态反馈的研究与实现

李 青 ，张晓江 ，黄发领

（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

随着社会和科技的进步，无人机技术正悄悄的走进人们的生活。在近几年，民用无人机的应用和发展得到了广泛的关注。

无人技术是指搭载任务载荷完成特定任务的自主航行运载器，主要包括无人飞机、无人地面车辆、无人水面艇和无人潜航器等。随着无人技术的日益成熟，无人系统也将大大改变人类的生活方式[1]。

在与人类的协同工作中，无人机往往需要最基本的人机交互，即人能够得到无人机工作环境的反馈，进而使人能够依据现场环境更好的控制无人机。人机交互中最简单直接的方式是显示视频。Minim OSD正是基于这种最简单的人机交互方式被设计，它的工作方式是在视频电子信号中叠加字符信息，使得视频图像中叠加有字符或汉字图形[2]。

1 Minim OSD工作原理

Minim OSD是基于MAX7456和Mega328P的字符叠加模块。

1.1 MAX7456简介

MAX7456视频叠加器件是单通道、单色随屏（OSD）发生器[3]，内部集成了视频驱动、同步分离器、视频开关以及EEPROM，采用符合NTSC和PAL制式的256个用户可编程字符，能够方便的以任意字符、尺寸显示各种信息。器件内部包含了36个寄存器，通过对寄存器的读写可以对屏幕像素，各行字符的亮度，字符的闪烁、反色等进行有效的控制。

MAX7456的主要引脚有：CS：输入片选信号，低电平有效；SDIN：串行数据输入，数据在SCLK上升沿移入；SCLK：串行时钟输入，占空比必须在40%到60%之间；SDOUT：串行数据输出，数据在SCLK下降沿输出，当CS变为高电平时，变为高阻抗；VIN：PAL 或者 NTSC，CVBS 视频输出；VPUT：视频输出[4]。

1.2 Minim OSD原理图

电路的主要工作原理是Mega328P通过模拟SPI接口模式向MAX7456发送控制命令，如显示模式，读取字符存储器等，MAX7456根据单片机的指令，修改或者读取字符存储区中的字符，并将图像、字符混合后显示在指定的位置上[5]。Minim OSD的硬件原理图如图1所示。

2 基于Minim OSD的采样船状态反馈的实现方法

随着社会对于环境的关注，特别是对水环境的重视程度加重，水质监测作为水污染控制工作中基础工作，其意义和作用也变得更加重要[6]。由于人力和物力的限制，传统的人工水质采样方式已经慢慢的被淘汰，取而代之的是用人工智能采样船对采样点进行采样并分析[7]。

图1 Minim OSD硬件原理图Fig.1 Schematic diagram of Minim OSD hardware

由于设计原因和使用环境，水质采样船在水中的行为状态不能为人所知，本方法设计的目标即让采样船行进和采样时的状态直观化，使用者在岸边用一个LCD显示屏即了解采样船的各个状态。

2.1 消息（message）的定制

Minim OSD是APM专用的视频显示模块，所以它支持的是APM所使用的MAVLink协议，MAVLink协议的格式如图2所示。

图2 MAVLink协议格式Fig.2 The protocol format of MAVLink

协议各个字节的含义如表1所示。

表1 MAVLink协议各字节含义Tab.1 Protocol of each meaning of MAVLink

Minim OSD是通过MAVLink协议中的消息ID来识别报文种类，OSD中现有程序已用消息ID为0—168，为了不破坏OSD在APM上的功能，我们需要自行添加新消息，使得OSD能够解析到新消息ID的报文。新消息的定制过程如下：

在Minim OSD的源程序文件中的ardupilotmega.xml下定义消息[8]，此过程在QXmlEdit软件上进行。在此定义ID为“169”的消息，具体内容如图3所示。

图3 新消息定制内容Fig.3 A new message customized content

定制好消息后保存ardupilotmega.xml文件，然后用Python（脚本软件）生成C程序。

2.2 报文的接收和解析

Minim OSD的程序中，接收和解析报文的源码在MAVLink.ino文件下，在后面加解析代码如下：

其中，MAVLINK_MSG_ID_SAMPLE的值为169，即我们定义的新消息ID，当Minim OSD识别到此ID后，开始解析报文，osd_modey等即要显示的数据。

2.3 系统硬件设计

如图4所示，Minim OSD的Video In口接摄像头单元C，由12 V电源供电，Video Out模块接图传模块，图传将视频信号通过无线传输到地面站上的终端显示。本系统采用Arduino Nano单片机来获得采样船的各个状态，Nano板的D2，D3口为软串口，与Minim OSD的串口通讯，将采水信息发送到Minim OSD，Minim OSD将信息加载到图像上。

图4 系统硬件设计Fig.4 The hardware design of the system

2.4 系统软件设计

该系统中，Nano将实时的采样船状态上传至Minim OSD，Minim OSD接收并解析数据，并将数据显示在LCD屏上。在Nano和Minim OSD的交互过程中，Nano必须每隔1秒钟时间给Minim OSD上传一次心跳报文，以确保Minim OSD的正常工作[9]。系统软件流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图Fig.5 The software flow chart of the system

2.5 系统漏水报警显示的实现

现以漏水报警显示为例具体介绍系统对各参数监控的过程。因为内部都是电路走线，采样船舱内不能进水。然而采样船在执行采水任务时，操作员并不知道舱内是否漏水。为了及时知道因未知因素导致的船舱漏水，必须要加漏水检测，并要通过OSD使警报信息显示在LCD屏上。漏水检测板PCB如图6所示。

图中 P1接GND，P2接+5 V，P3接 Nano板 IO口。采样船正常工作时，Nano板检测到P3为低电平，而当船舱内漏水时，会将与P1和P3连接的两根锡皮线导通，Nano检测到P3为高电平，这时Nano传送给Minim OSD的MAVLink协议报文中表示漏水标志位的数据leak_flag置1。这一位数据被Minim OSD得到并正确解析后，使mavlink_msg_sample_get_leakage_warn（&msg）置为 1，检测到此标志位为 1时 OSD中程序会通过 osd.printf（“Leaking warning”）将报警信息显示在LCD屏时。当操作员看到此报警时，会采取补救措施，避免更严重的事故。

图6 漏水检测板PCB图Fig.6 The PCB of water detection board

3 结束语

本系统目前已设计完成并投入使用。采样船在水中采样的过程中，工作人员在岸边通过LCD显示屏可以实时的了解采样船的状态，如采样模式、采样状态、采样量以及漏水警报等等。本文介绍的方法不仅可以用于采样船，也可用于其他无人机系统。

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