楊浩，楊斌

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031）

楊浩（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式開發(fā)與應(yīng)用；楊斌（教授），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、實時與分布式系統(tǒng)。

引 言

目前，市場上大部分四軸飛行器都是基于單片機制作的控制系統(tǒng)。單片機體積小、功耗低，但是由于其性能有限［1］，且不能很好地支持TCP／IP協(xié)議，導(dǎo)致基于單片機制作的四軸飛行器功能有限。如果想要四軸飛行器實現(xiàn)更多的功能，則需要使用操作系統(tǒng)來制作四軸飛行器控制系統(tǒng)。在Linux操作系統(tǒng)中，普通進(jìn)程不能做到快速的實時響應(yīng)，因此如果使用Linux操作系統(tǒng)來制作四軸飛行器控制系統(tǒng)，就需要對進(jìn)程的優(yōu)先級和時間片進(jìn)行修改，使其能夠保證快速響應(yīng)［2］。

1 Linux操作系統(tǒng)實時進(jìn)程和普通進(jìn)程對比

Linux本身并不是一個強實時操作系統(tǒng)，但是其調(diào)度策略中提供了對實時進(jìn)程的支持［3］?？傮w而言，Linux實時調(diào)度算法能夠滿足嚴(yán)格的時間要求，實時進(jìn)程和普通進(jìn)程的具體對比略——編者注。

2 飛行控制系統(tǒng)的任務(wù)分析

2.1 開發(fā)板選擇

因為開發(fā)板要安裝到四軸飛行器中，因此有以下考慮因素［4］：

①體積小、功耗低，同時，價格不能太高。

②開發(fā)板需要采集傳感器數(shù)據(jù)，并且在調(diào)試的過程中和上位機進(jìn)行通信，需要開發(fā)板至少有兩個串口。

③四軸飛行器需要4 路PWM 信號供給電子調(diào)速器，因此至少能支持4路PWM 輸出。

④開發(fā)板上面需要外接USB攝像頭和無線網(wǎng)卡，進(jìn)行視頻采集和網(wǎng)絡(luò)通信，因此至少需要1個USB接口。

基于以上因素，選擇了搭載AM3358處理器的BeagleBone Black開發(fā)板。

2.2 任務(wù)劃分

四軸飛行器在飛行的過程中，會有很多任務(wù)需要執(zhí)行，其中包括控制任務(wù)、讀取傳感器數(shù)據(jù)任務(wù)、姿態(tài)自動調(diào)節(jié)任務(wù)、發(fā)送當(dāng)前飛機情況任務(wù)、接收控制信號任務(wù)、響應(yīng)控制信號任務(wù)、視頻采集任務(wù)、視頻傳輸任務(wù)。下面逐步介紹各個任務(wù)。

①控制任務(wù)：是指在接收到電腦客戶端發(fā)送的指令后對四軸飛行器進(jìn)行控制的任務(wù)，這些指令包括起飛、降落、向左邊飛、向右邊飛、前進(jìn)、后退。四軸飛行器控制系統(tǒng)要及時響應(yīng)這些指令并根據(jù)指令改變4 個旋翼的PWM 值。如果客戶端沒有發(fā)送指令，則按照上一次的指令執(zhí)行飛行任務(wù)。

②讀取傳感器數(shù)據(jù)任務(wù)：四軸飛行器在飛行過程中需要不斷地讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)來獲取當(dāng)前飛行器的飛行姿態(tài)，并對獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

③姿態(tài)自動調(diào)節(jié)任務(wù)：在得到數(shù)據(jù)后和初始值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)四軸飛行器機身傾斜，則要根據(jù)目前檢測的數(shù)據(jù)控制4個旋翼的轉(zhuǎn)速，對四軸飛行器進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使得其回到平穩(wěn)狀態(tài)。

④發(fā)送當(dāng)前飛機情況任務(wù)：為了使電腦客戶端能更好地知道當(dāng)前飛機的情況，四軸飛行器控制系統(tǒng)需要不斷地將當(dāng)前傳感器發(fā)出的3個角度數(shù)值和4個旋翼的PWM值發(fā)送到客戶端的電腦上，使得控制系統(tǒng)對飛行器的當(dāng)前狀態(tài)更加清楚。

⑤接收控制信號任務(wù)：四軸飛行器控制系統(tǒng)需要接收電腦客戶端發(fā)送過來的指令，這些指令包括起飛、降落、向左邊飛、向右邊飛、前進(jìn)、后退。

⑥視頻采集任務(wù)：四軸飛行器控制系統(tǒng)需要不斷地采集視頻數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)存入到一個緩存中。

⑦視頻傳輸任務(wù)：將緩存中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，然后等下一次數(shù)據(jù)采集完成后繼續(xù)發(fā)送。

2.3 任務(wù)優(yōu)先級說明

在四軸飛行器控制系統(tǒng)中，一共有7個任務(wù)在運行。控制任務(wù)是在接收控制信號任務(wù)完成后迅速地根據(jù)控制信號來調(diào)整飛行姿態(tài)，如果這兩個任務(wù)反應(yīng)較慢有可能會導(dǎo)致四軸飛行器遇上危險，因此控制任務(wù)和接收控制信號任務(wù)需要較快的反應(yīng)。讀取傳感器數(shù)據(jù)任務(wù)是為了進(jìn)行姿態(tài)自動調(diào)節(jié)任務(wù)，使得四軸飛行器在空中保持平穩(wěn)，這兩個任務(wù)也非常重要，同樣需要較快的反應(yīng)。此外，地面的控制者要明確目前四軸飛行器所處的狀態(tài)，僅僅憑借眼睛去觀察是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此發(fā)送當(dāng)前飛機情況任務(wù)對于地面的控制者來說很重要。相較于前5個任務(wù)，視頻采集任務(wù)和視頻傳輸任務(wù)對于實時性的要求不是太高，只要控制者能看到四軸飛行器目前所返回的視頻即可，因此視頻采集任務(wù)和視頻傳輸任務(wù)沒有前5個任務(wù)的優(yōu)先級別高。

2.4 進(jìn)程優(yōu)先級分配

BeagleBone Black 上 面 包 含 了 一 個Cortex－A8 處 理器，其性能較高，但是只有一個內(nèi)核，因此相比多核處理器，BeagleBone Black運行多線程任務(wù)并沒有優(yōu)勢。此外，控制任務(wù)、讀取傳感器數(shù)據(jù)任務(wù)、姿態(tài)自動調(diào)節(jié)任務(wù)、發(fā)送當(dāng)前飛機情況任務(wù)和接收控制信號任務(wù)對實時性要求都很高，而且這5個任務(wù)之間相互關(guān)聯(lián)，因此將這5個任務(wù)放到一個進(jìn)程中，通過設(shè)置一些變量來對任務(wù)發(fā)生的順序進(jìn)行控制，這個進(jìn)程稱為四軸飛行器控制進(jìn)程。而視頻采集任務(wù)和視頻傳輸任務(wù)跟前5個任務(wù)沒有關(guān)系，因此將這兩個任務(wù)合并為一個進(jìn)程，該進(jìn)程稱為四軸飛行器視頻傳輸進(jìn)程。

在將兩個進(jìn)程設(shè)置為實時進(jìn)程后，為了進(jìn)一步提高實時性，需要修改這兩個進(jìn)程的時間片。進(jìn)程的時間片如果太低，進(jìn)程之間互相切換會造成切換時間的浪費，而進(jìn)程的時間片如果太高，實時性能會有所下降，因此選擇合適的時間片至關(guān)重要。根據(jù)經(jīng)驗，每個進(jìn)程的時間片為5ms時，效果是比較好的。兩個進(jìn)程的優(yōu)先級和時間片如表1所列。

表1 四軸飛行器進(jìn)程的優(yōu)先級和時間片

BeagleBone Black開發(fā)板的性能比單片機好很多，在運行實時進(jìn)程后，其性能和效果都要優(yōu)于單片機制作的飛行控制系統(tǒng)。

3 飛行控制系統(tǒng)的進(jìn)程測試

在程序中改變進(jìn)程的優(yōu)先級是通過改變結(jié)構(gòu)體sched＿param 中間的成員變量sched＿priority來實現(xiàn)。而改變時間片是通過在程序中修改進(jìn)程的nice值來改變，當(dāng)nice值為＋19時，該進(jìn)程對應(yīng)的時間片為5ms。修改進(jìn)程優(yōu)先級是通過函數(shù)sched＿setscheduler（）來完成的，在參數(shù)中可以選擇輪流調(diào)度。

首先單獨運行四軸飛行器控制進(jìn)程，該進(jìn)程的名稱為“bbbnew”，四軸飛行器控制進(jìn)程單獨運行時系統(tǒng)資源分配圖如圖1所示。

由圖1可知，四軸飛行器控制進(jìn)程“bbbnew”的優(yōu)先級為－99，nice值為19，此時對應(yīng)的時間片為5ms。該進(jìn)程單獨運行時的CPU 占有率為74.2%，該占有率在70%～85%之間徘徊。然后單獨運行四軸飛行器視頻傳輸進(jìn)程，該進(jìn)程的名稱為“camera”，視頻傳輸進(jìn)程單獨運行時系統(tǒng)資源分配圖如圖2所示。

由圖2可知，四軸飛行器視頻傳輸進(jìn)程“camera”的優(yōu)先級為－98，nice值為19，此時對應(yīng)的時間片為5ms。該進(jìn)程單獨運行時的CPU 占有率為10.6%，該占有率在9%～12.5%之間徘徊。四軸飛行器在飛行過程中兩個進(jìn)程都要運行，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級和時間片來對進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。

圖1 四軸飛行器控制進(jìn)程單獨運行時系統(tǒng)資源分配圖

圖2 視頻傳輸進(jìn)程單獨運行時系統(tǒng)資源分配圖

3.1 四軸飛行器平穩(wěn)狀態(tài)時

當(dāng)四軸飛行器在平穩(wěn)狀態(tài)時，控制進(jìn)程和視頻傳輸進(jìn)程同時運行，如圖3所示。

圖3 四軸飛行器平穩(wěn)運行時

從圖3中可以看出，四軸飛行器4個旋翼的轉(zhuǎn)速基本一致，此時橫滾角、俯仰角和偏航角與初始值的差別很小，表明四軸飛行器處在平穩(wěn)運行狀態(tài)。此時在攝像頭面前晃動手指，在客戶端電腦上能很快看到手指的晃動，反應(yīng)速度很快，能滿足系統(tǒng)對實時性的要求。

從圖4中可以看出，在四軸飛行器平穩(wěn)運行時，控制進(jìn)程“bbbnew”的CPU 占用率是72.8%，視頻傳輸進(jìn)程“camera”的CPU 占用率是11.0%，兩個進(jìn)程并沒有完全占滿CPU 資源。此外，兩者同時運行一段時間后，兩個進(jìn)程的運行時間總和是不一樣的。Linux操作系統(tǒng)top指令中TIME＋的含義是進(jìn)程使用的CPU 時間總計，單位為1／100s?？刂七M(jìn)程“bbbnew”的TIME＋數(shù)值為2∶01.45，四軸飛行器視頻進(jìn)程“camera”的數(shù)值為1∶37.66，這是因為兩個進(jìn)程的時間片雖然相同，但是由于控制進(jìn)程的優(yōu)先級要大于視頻傳輸進(jìn)程的優(yōu)先級，所以控制進(jìn)程的運行時間總和大于視頻傳輸進(jìn)程的運行時間總和，這與設(shè)計目標(biāo)一致。

圖4 平穩(wěn)運行時系統(tǒng)資源分配圖

3.2 四軸飛行器傾斜狀態(tài)時

（1）四軸飛行器向左傾斜時

四軸飛行器在向左傾斜時，歐拉角與初始值的差值和四軸飛行器4個旋翼的轉(zhuǎn)速如圖5所示。

可以看出，此時橫滾角與初始值的差值超過了臨界值并且為負(fù)值，表明此時四軸飛行器正在向左傾斜，控制系統(tǒng)需要根據(jù)PID算法來調(diào)節(jié)4個旋翼的轉(zhuǎn)速，使四軸飛行器重新回到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)自動進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時，在攝像頭上面快速晃動手指，在客戶端電腦上可以實時看到晃動手指的視頻。這表明兩個進(jìn)程在同時運行時，實時性都可以得到保證。此時的系統(tǒng)資源分配圖如圖6所示。

可以看出，在四軸飛行器向左傾斜時，控制進(jìn)程“bbbnew”的CPU 占用率是83.1%，視頻傳輸進(jìn)程“camera”的CPU 占用率是12.0%。兩個進(jìn)程并沒有完全占滿CPU 資源。同樣，控制進(jìn)程的運行時間總和大于視頻傳輸進(jìn)程的運行時間總和。

（2）四軸飛行器向右傾斜時

四軸飛行器在向右傾斜時，歐拉角與初始值的差值和四軸飛行器4個旋翼的轉(zhuǎn)速略——編者注。

可以看出，此時橫滾角與初始值的差值超過了臨界值并且為正值，表明此時四軸飛行器正在向右傾斜，控制系統(tǒng)需要根據(jù)PID算法來調(diào)節(jié)4個旋翼的轉(zhuǎn)速，使四軸飛行器重新回到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)自動進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時，在攝像頭上面快速晃動手指，在客戶端電腦上可以實時看到晃動手指的視頻。這表明兩個進(jìn)程在同時運行時，實時性都可以得到保證。此時的系統(tǒng)資源分配圖略——編者注。

圖5 四軸飛行器向左傾斜時

圖6 四軸飛行器向左傾斜時系統(tǒng)資源分配圖

可以看出，在四軸飛行器向右傾斜時，控制進(jìn)程“bbbnew”的CPU 占用率是70.9%，視頻進(jìn)程“camera”的CPU 占用率是9.0%。兩個進(jìn)程并沒有完全占滿CPU 資源。同樣，控制進(jìn)程的運行時間總和大于視頻傳輸進(jìn)程的運行時間總和。

經(jīng)過測試，四軸飛行器其他傾斜情況也能滿足實時響應(yīng)要求。

3.3 極端條件下的測試

第3.1節(jié)和3.2節(jié)分別介紹了四軸飛行器在平穩(wěn)狀態(tài)下和傾斜狀態(tài)下，兩個進(jìn)程的實時響應(yīng)情況。在這里作進(jìn)一步測試。

在四軸飛行器的控制進(jìn)程中，設(shè)置當(dāng)四軸飛行器控制系統(tǒng)檢測到俯仰角或者橫滾角和初始值的差值大于25°時或者小于－25°時，四軸飛行器4個旋翼會立即停止轉(zhuǎn)動。那么用手指在攝像頭面前晃動的同時，人為以很快的速度傾斜機身到25°。如圖7所示。

可以看到，在攝像頭面前晃動手指，可以從電腦客戶端上看到實時晃動手指的視頻，此時人為快速傾斜機身，這時橫滾角與初始值的角度差值已經(jīng)小于－25°，4個旋翼立即停止了轉(zhuǎn)動。這表明在極端條件下，控制進(jìn)程和視頻傳輸進(jìn)程都能夠做到實時響應(yīng)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

通過以上的測試，證明了將四軸飛行器控制進(jìn)程和視頻傳輸進(jìn)程都設(shè)置為實時進(jìn)程，將控制進(jìn)程優(yōu)先級設(shè)置為－99，視頻傳輸進(jìn)程設(shè)置為－98，并且將兩個進(jìn)程的時間片都設(shè)置為5 ms后，無論四軸飛行器處在何種條件下，這兩個進(jìn)程都可以做到快速的實時響應(yīng)，從而達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

結(jié) 語

本文利用Linux操作系統(tǒng)支持的實時進(jìn)程策略對四軸飛行器的控制進(jìn)程和視頻傳輸進(jìn)程進(jìn)行了優(yōu)先級和時間片的修改，使得這兩個進(jìn)程都可以達(dá)到實時響應(yīng)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

圖7 視頻實時傳輸同時四軸飛行器自動檢測并停止旋轉(zhuǎn)

［1］胡劍華.基于ARM－Linux實時嵌入式飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

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