基于Minim OSD的水質(zhì)采樣船狀態(tài)反饋的研究與實現(xiàn)

李 青 ，張曉江 ，黃發(fā)領(lǐng)

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著社會和科技的進步，無人機技術(shù)正悄悄的走進人們的生活。在近幾年，民用無人機的應(yīng)用和發(fā)展得到了廣泛的關(guān)注。

無人技術(shù)是指搭載任務(wù)載荷完成特定任務(wù)的自主航行運載器，主要包括無人飛機、無人地面車輛、無人水面艇和無人潛航器等。隨著無人技術(shù)的日益成熟，無人系統(tǒng)也將大大改變?nèi)祟惖纳罘绞絒1]。

在與人類的協(xié)同工作中，無人機往往需要最基本的人機交互，即人能夠得到無人機工作環(huán)境的反饋，進而使人能夠依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境更好的控制無人機。人機交互中最簡單直接的方式是顯示視頻。Minim OSD正是基于這種最簡單的人機交互方式被設(shè)計，它的工作方式是在視頻電子信號中疊加字符信息，使得視頻圖像中疊加有字符或漢字圖形[2]。

1 Minim OSD工作原理

Minim OSD是基于MAX7456和Mega328P的字符疊加模塊。

1.1 MAX7456簡介

MAX7456視頻疊加器件是單通道、單色隨屏（OSD）發(fā)生器[3]，內(nèi)部集成了視頻驅(qū)動、同步分離器、視頻開關(guān)以及EEPROM，采用符合NTSC和PAL制式的256個用戶可編程字符，能夠方便的以任意字符、尺寸顯示各種信息。器件內(nèi)部包含了36個寄存器，通過對寄存器的讀寫可以對屏幕像素，各行字符的亮度，字符的閃爍、反色等進行有效的控制。

MAX7456的主要引腳有：CS：輸入片選信號，低電平有效；SDIN：串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)在SCLK上升沿移入；SCLK：串行時鐘輸入，占空比必須在40%到60%之間；SDOUT：串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在SCLK下降沿輸出，當CS變?yōu)楦唠娖綍r，變?yōu)楦咦杩?；VIN：PAL 或者 NTSC，CVBS 視頻輸出；VPUT：視頻輸出[4]。

1.2 Minim OSD原理圖

電路的主要工作原理是Mega328P通過模擬SPI接口模式向MAX7456發(fā)送控制命令，如顯示模式，讀取字符存儲器等，MAX7456根據(jù)單片機的指令，修改或者讀取字符存儲區(qū)中的字符，并將圖像、字符混合后顯示在指定的位置上[5]。Minim OSD的硬件原理圖如圖1所示。

2 基于Minim OSD的采樣船狀態(tài)反饋的實現(xiàn)方法

隨著社會對于環(huán)境的關(guān)注，特別是對水環(huán)境的重視程度加重，水質(zhì)監(jiān)測作為水污染控制工作中基礎(chǔ)工作，其意義和作用也變得更加重要[6]。由于人力和物力的限制，傳統(tǒng)的人工水質(zhì)采樣方式已經(jīng)慢慢的被淘汰，取而代之的是用人工智能采樣船對采樣點進行采樣并分析[7]。

圖1 Minim OSD硬件原理圖Fig.1 Schematic diagram of Minim OSD hardware

由于設(shè)計原因和使用環(huán)境，水質(zhì)采樣船在水中的行為狀態(tài)不能為人所知，本方法設(shè)計的目標即讓采樣船行進和采樣時的狀態(tài)直觀化，使用者在岸邊用一個LCD顯示屏即了解采樣船的各個狀態(tài)。

2.1 消息（message）的定制

Minim OSD是APM專用的視頻顯示模塊，所以它支持的是APM所使用的MAVLink協(xié)議，MAVLink協(xié)議的格式如圖2所示。

圖2 MAVLink協(xié)議格式Fig.2 The protocol format of MAVLink

協(xié)議各個字節(jié)的含義如表1所示。

表1 MAVLink協(xié)議各字節(jié)含義Tab.1 Protocol of each meaning of MAVLink

Minim OSD是通過MAVLink協(xié)議中的消息ID來識別報文種類，OSD中現(xiàn)有程序已用消息ID為0—168，為了不破壞OSD在APM上的功能，我們需要自行添加新消息，使得OSD能夠解析到新消息ID的報文。新消息的定制過程如下：

在Minim OSD的源程序文件中的ardupilotmega.xml下定義消息[8]，此過程在QXmlEdit軟件上進行。在此定義ID為“169”的消息，具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 新消息定制內(nèi)容Fig.3 A new message customized content

定制好消息后保存ardupilotmega.xml文件，然后用Python（腳本軟件）生成C程序。

2.2 報文的接收和解析

Minim OSD的程序中，接收和解析報文的源碼在MAVLink.ino文件下，在后面加解析代碼如下：

其中，MAVLINK_MSG_ID_SAMPLE的值為169，即我們定義的新消息ID，當Minim OSD識別到此ID后，開始解析報文，osd_modey等即要顯示的數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖4所示，Minim OSD的Video In口接攝像頭單元C，由12 V電源供電，Video Out模塊接圖傳模塊，圖傳將視頻信號通過無線傳輸?shù)降孛嬲旧系慕K端顯示。本系統(tǒng)采用Arduino Nano單片機來獲得采樣船的各個狀態(tài)，Nano板的D2，D3口為軟串口，與Minim OSD的串口通訊，將采水信息發(fā)送到Minim OSD，Minim OSD將信息加載到圖像上。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計Fig.4 The hardware design of the system

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)中，Nano將實時的采樣船狀態(tài)上傳至Minim OSD，Minim OSD接收并解析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上。在Nano和Minim OSD的交互過程中，Nano必須每隔1秒鐘時間給Minim OSD上傳一次心跳報文，以確保Minim OSD的正常工作[9]。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 The software flow chart of the system

2.5 系統(tǒng)漏水報警顯示的實現(xiàn)

現(xiàn)以漏水報警顯示為例具體介紹系統(tǒng)對各參數(shù)監(jiān)控的過程。因為內(nèi)部都是電路走線，采樣船艙內(nèi)不能進水。然而采樣船在執(zhí)行采水任務(wù)時，操作員并不知道艙內(nèi)是否漏水。為了及時知道因未知因素導致的船艙漏水，必須要加漏水檢測，并要通過OSD使警報信息顯示在LCD屏上。漏水檢測板PCB如圖6所示。

圖中 P1接GND，P2接+5 V，P3接 Nano板 IO口。采樣船正常工作時，Nano板檢測到P3為低電平，而當船艙內(nèi)漏水時，會將與P1和P3連接的兩根錫皮線導通，Nano檢測到P3為高電平，這時Nano傳送給Minim OSD的MAVLink協(xié)議報文中表示漏水標志位的數(shù)據(jù)leak_flag置1。這一位數(shù)據(jù)被Minim OSD得到并正確解析后，使mavlink_msg_sample_get_leakage_warn（&msg）置為 1，檢測到此標志位為 1時 OSD中程序會通過 osd.printf（“Leaking warning”）將報警信息顯示在LCD屏時。當操作員看到此報警時，會采取補救措施，避免更嚴重的事故。

圖6 漏水檢測板PCB圖Fig.6 The PCB of water detection board

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)目前已設(shè)計完成并投入使用。采樣船在水中采樣的過程中，工作人員在岸邊通過LCD顯示屏可以實時的了解采樣船的狀態(tài)，如采樣模式、采樣狀態(tài)、采樣量以及漏水警報等等。本文介紹的方法不僅可以用于采樣船，也可用于其他無人機系統(tǒng)。

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