楊兵　王昆　馮揚帆　陳福

摘 要：為了研究微型多旋翼的定點控制，設計并實現(xiàn)了一種基于RT-Thread的微型多旋翼定點控制系統(tǒng)。采用Digital Motion Processing庫和雙閉環(huán)PID進行姿態(tài)控制，使用磁力計與激光測距儀進行航向與高度的鎖定；融合光流傳感器、姿態(tài)、高度數(shù)據(jù)感知飛行器的水平速度、位置；針對水平位置，提出了基于滑模控制器的微型多旋翼定點控制方法。最終，通過實驗驗證了該系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞：RT-Thread；微型多旋翼；定點控制；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：TP29? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0012-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.004

0? ? 引言

微型飛行器在情報偵察[1]、遙感測繪[2]等領域有著極高的應用價值，而定點懸停是微型飛行器各項動作的基礎，研究微型飛行器的定點懸停有著不可小覷的實用價值。

目前，主流的多旋翼定點方法有基于GPS的定點方法、基于視覺系統(tǒng)的定點方法[3]、基于光流的定點方法[4]以及基于UWB的定點方法[5]。本文以微型無人機光流定點控制為研究對象，完成了微型飛行器定點控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，提出了基于滑?？刂频亩c控制方法，并通過實驗進行了驗證。

1? ? 總體方案與硬件設計

微控制器采用基于Coretex-M3內核的STM32F103C8，內置浮點運算單元等，主頻最高72 MHz，非常適合微型飛控開發(fā)。無線通信模塊為nRF24L01，支持實時雙向通信，用于控制指令的接收與控制器參數(shù)無線調試。姿態(tài)傳感器為MPU6050，內置數(shù)字運動處理引擎。羅盤為HMC5883L，最大輸出頻率可達160 Hz。光流模塊為PMW3901MB，支持80 mm至無限遠的工作距離。ToF測距傳感器為VL53L0X，測量頻率可達50 Hz?？傮w方案設計如圖1所示。

硬件設計如圖2所示，為盡可能減小PCB面積，便于在微型無人機上安裝，元器件采用雙面布局，完成后PCB為邊長不超過4.5 cm的正方形。

2? ? 軟件設計

雖然僅依靠前臺系統(tǒng)即可實現(xiàn)飛行控制，但隨著飛控中傳感器種類的擴增以及飛行任務需求的日益增多，前后臺系統(tǒng)已無法勝任日趨復雜的應用場景。引入RTOS后，將有效解決該問題。本設計中，操作系統(tǒng)采用RT-Thread NanoV3.1.5，小巧精悍，擁有完整內核，支持搶占式調度。此外還添加了FinSH[6]組件，用以查看各線程棧的最大使用量并合理分配各線程棧大小，避免線程棧溢出導致硬錯誤。姿態(tài)傳感器和羅盤基于同一路I2C與微控制器通信，因此信號量互斥地使用I2C總線。

多線程調度方式、線程優(yōu)先級、線程棧大小、中斷優(yōu)先級等的設置是本設計中稍難的點，如果安排不合理，則會導致硬實時控制無法實現(xiàn)、線程死鎖、硬錯誤等問題。一般而言，在單核多任務系統(tǒng)中，并發(fā)運行的主線程及其他各線程可視為后臺，而支持操作系統(tǒng)運行的SysTick、PendSV中斷及其他中斷則可視為前臺。

除操作系統(tǒng)自帶的tShell和tidle線程外，其余線程負責完成遠程控制指令接收，姿態(tài)、高度、光流信息的獲取等，具體如表1所示。

設置NVIC分組為兩位搶占優(yōu)先級、兩位響應優(yōu)先級。SysTick中斷負責實現(xiàn)RTOS的調度，PendSV中斷負責上下文切換，定時器TIM4負責脈沖寬度調制波的發(fā)生，定時器TIM1工作于周期中斷模式，負責進行4路脈沖寬度調制，完成電機轉速控制與姿態(tài)控制，USART1實現(xiàn)字符緩沖接收以支持FinSH，具體如表2所示。

3? ? 控制方法

微型飛行器中各傳感器方向的定義、坐標系定義如圖3所示。

姿態(tài)獲取不作為本文重點，采用Digital Motion Processing庫獲取四元數(shù)（q0，q1，q2，q3）及三軸角速度（ωx，ωy，ωz），按式（1）可由四元數(shù)轉換得歐拉角（φ，γ，θ），配合三軸角速度作為姿態(tài)控制的輸入。

整體控制設計如圖4所示，高度和航向控制較為簡單，圖中不進行說明。姿態(tài)控制上選擇串級PID，內環(huán)控制角速度，以100 Hz運行，外環(huán)控制角度，以25 Hz運行，同時將外環(huán)角度環(huán)輸出的期望角速度等份遞增地輸出至內環(huán)角速度控制器以獲得平滑的控制效果。

定點過程中往往需要定航向和定高，由羅盤和測距儀可得出航向與高度，經過簡單的反饋控制即可實現(xiàn)航向和高度的鎖定。對于航向的鎖定采用簡單的比例反饋控制即可實現(xiàn)良好的效果，對于高度采用比例積分微分控制可得到良好的效果，值得一提的是，經過激光測距儀測得的距離需引入橫滾角和俯仰角校正[7]后才能得到高度。

采用式（1）計算所得偏航角存在漂移現(xiàn)象，因此根據(jù)磁力計在其x、y方向測得的磁感應強度分量可計算得到偏航角，在計算前需要對磁力計進行校正。

定點控制需要光流傳感器的輔助，光流傳感器輸出連續(xù)兩幀之間像素變化量Δpx和Δpy。由于光流傳感器的水平位移與像素變化量、光流傳感器距離地面高度、姿態(tài)角存在聯(lián)系，因此根據(jù)光流傳感器距離地面高度、像素變化量、姿態(tài)角可計算出光流傳感器即飛行器的水平位移，計算方法如下：

式中：Sx、Sy為根據(jù)光流傳感器得到的x、y方向的位移，初值均為0；L為測距傳感器測量結果；R為飛行器在距地面1 m時產生1個像素變化量對應的位移；Kx為針對飛行器橫滾的校正系數(shù)；Ky為針對飛行器俯仰的校正系數(shù)；Kx、Ky和R均由實驗測得。

光流速度由光流位移差分并經一階低通濾波器得到，差分間隔不宜過短，否則計算所得光流速度會有很多毛刺，無法反映飛行器實際運動。

以橫滾通道為例分析定點控制過程，假定微型多旋翼定高后橫滾角γ保持在某非水平值γd＞0，由運動學分析可知多旋翼將向右做加速運動。因定高定點過程中運動速度低，故可忽略風阻?？煞治龅贸觯?/p>

中：px為水平位置；g為重力加速度。

盡管采用速度—位置雙閉環(huán)控制可將無人機水平位移控制在零附近，實現(xiàn)定點控制，但該方法存在參數(shù)多、調參復雜的問題，因此提出了基于滑模控制的多旋翼定點控制方法。

式中：pxd為期望的無人機位置，一般取0；s、z1、z2為滑?？刂破髦虚g變量；其余的c、k、η為控制器參數(shù)。

相比于速度—位置雙閉環(huán)PID控制，調試參數(shù)由6個下降至3個。

4? ? 飛行實驗

對所設計的多旋翼定點控制系統(tǒng)進行實驗驗證。依次調節(jié)角速度環(huán)PID、角度環(huán)PID參數(shù)，保證角度控制快速無靜差。校正系數(shù)Kx和Ky均取480.0像素，R取0.213 cm/（m·像素），滑?？刂浦衏=0.017 2，k=0.017 2，η=5×10-5。開始光流定點后，微型飛行器在其x方向和y方向的位移曲線及位置如圖5所示。

可以看到微型飛行器位置保持在（0，0）附近，x、y方向位置均值分別為1.12 cm、-0.86 cm，方差分別為16.39 cm2、32.69 cm2，成功實現(xiàn)了定點控制。

5? ? 結語

本文采用RT-Thread設計并實現(xiàn)了一種微型多旋翼定點控制系統(tǒng)，其軟件中多個中斷/異常嵌套運行、多個線程并發(fā)運行，并采用信號量保護了臨界資源；控制上采用DMP和角速度—角度雙閉環(huán)PID進行姿態(tài)控制，應用羅盤和激光測距儀實現(xiàn)偏航角與高度的閉環(huán)控制，融合光流傳感器、測距儀、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)得到水平速度、位移，并對水平位移采用滑?？刂破鬟M行控制，解決了速度—位置雙閉環(huán)定點方式控制參數(shù)多、調參難的問題。最終通過飛行實驗驗證了本系統(tǒng)的可行性。

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收稿日期：2023-02-13

作者簡介：楊兵（1996—），男，陜西人，助理工程師，研究方向：機載嵌入式軟件。