目錄
- 一. 引言
- 二. UCOS-III作業系統簡介
- 三. 設計水下四旋翼的多任務系統
- 四. 硬體電路設計
一. 引言
上一篇我們寫了四旋翼的飛行原理，這一篇我們繼續做準備作業，主要是講解一下作業系統，我們的代碼是基于作業系統實作的，為什么要用作業系統呢？你的電腦可以同時運行多個程式，得益于作業系統的運轉，對于單片機來說是一樣的，使用作業系統的單片機可以同時運行多個程式，你能忍受你的電腦同時只能運行Word或瀏覽器或其他什么東東的單個程式嗎？顯然不能，那么為什么你可以忍受單片機只有一個main函式呢？因為在此之前你的功能單一簡單，或者是你不知道還有作業系統這個東西，如果你一直都讓你心愛的板子裸奔的話，從今天開始希望你能給它裝備上強大的武器——嵌入式作業系統，它可以最大限度的發揮CPU的性能，實作多任務運行，在實時性要求高的場合它是最為適用的，
如果之前沒有作業系統基礎的童鞋不要氣餒，作業系統很難，但是你不需要糾結于難的部分，只把它當成一個工具就行了，就像你用電腦，你需要明白Win10系統內部怎么運行么？你需要自己去實作win10系統么？答案是不需要，會用就行了！手里邊有STM32的板子的建議去學一下原子哥的FreeRTOS或UCOS-III作業系統的教程，邊學邊練，實在不會也沒關系，后面的文章我會淡化作業系統，它只是一個框架，我們更關注的是核心代碼部分，
二. UCOS-III作業系統簡介
嵌入式作業系統有很多，常用的有FreeRTOS和UCOS-II、UCOS-III作業系統，筆者不做過多研究與講解，只簡單介紹它的使用，使用作業系統首先一件事是移植作業系統，移植的程序會稍微麻煩，不同的板子會不一樣，本專案使用的自主開發的基于STM32F767IGT芯片的主控器，筆者直接使用了正點原子的阿波羅開發板移植好的工程模板，可以點擊下載，
作業系統的知識點很多，我們重點需要理解任務的創建、掛起、洗掉，任務調度，任務優先級，時間片輪轉調度等內容，在我的代碼里面沒有使用信號量與訊息傳遞機制，使用的都是全域變數，實際上很不規范也不安全，這種設計方法不推薦使用，以筆者的體會，STM32的作業系統不好用，技術要求很高，使用嵌入式作業系統只是一個過渡，筆者后期將會將主要演算法集中于樹莓派、英偉達等高性能Linux主板上，將STM32作為驅動板，這種上下層控制器的好處是用戶只需專注于應用與演算法，不需要耗費過多精力于底層實作，當然硬體成本也會高出許多，
三. 設計水下四旋翼的多任務系統
下面我們設計水下四旋翼的多任務系統，四旋翼是一個典型的完整的機器人架構，包含了實作一個機器人所需的全部核心要素，從通信、傳感、控制、電源到硬體電路、機械等，如果你從頭到尾搭建起了一個四旋翼（包括自己寫代碼與除錯），你將能夠勝任一般的機器人設計應用場合了，
這里我們創建5個任務，開始任務（StartTask），通信任務（RadioLinkTask），傳感任務(SensorTask），姿態控制任務（StabilizationTask），資料傳輸任務（TransmissionTask），系統的層次如圖所示，如我之前說的，作業系統只是一個工具，我們的核心是在應用層——應用程式，作業系統能夠向下最大程度的發揮CPU的功能，向上最高效最穩定的實作用戶的應用程式，開始任務負責創建其他所有任務，完事之后將自己掛起（就是自己不再起作用了），通信任務（RadioLinkTask）負責與遙控器通訊，決議遙控器的資料、按照指令動作，傳感任務(SensorTask）負責決議所有傳感器的資料，包括原始資料讀取、濾波、融合，姿態控制任務（StabilizationTask）負責三軸姿態角與高度環的PID計算，輸出控制量并進行電機控制，資料傳輸任務（TransmissionTask）包括上傳和下傳——上傳四旋翼的所有當前狀態（姿態、油門、電量等資訊），同時決議地面站下傳的資料進行相應動作或調整引數，
整個工程的代碼量較大，檔案較多，他們的關系我大致表示如下：
四. 硬體電路設計
其實這一節應該放在上面，先設計硬體再設計軟體，不過無所謂啦，硬體電路的介紹主要是列出使用的器件和使用的STM32的板載資源，如下表所示是使用的硬體清單，
這里面5個電機是不一定的，其中四個垂直電機是作為四旋翼，提供垂直動力并調整姿態，前面我們講了四旋翼的飛行原理，四旋翼依靠俯仰運動或滾轉運動，可以提供前后向或左右向的水平分力從而實作前后運動或左右運動，那么對于水下四旋翼是不是也是這樣的呢，答案是否定的！！！ 因為水下的阻力非常大，四旋翼一般只有30度左右的角度變化范圍，提供的水平分力非常有限，你會發現水下四旋翼想要實作水平運動非常困難，筆者自己做過實驗，它在原地俯仰、滾轉，就是不動，暈！！所以，需要設定一個水平電機，當然可以是兩個、三個、四個，都行，水下的四旋翼不像空中要嚴格控制重量，因為你只需要設計機器人的自重與浮力抵消就行了，這樣你可以用很大的電池，筆者自己就用了一個10000MAH的大電池，續航非常持久，
這里面機架部分請自行設計，簡單起見可以去淘寶買機器人專用的密封艙，然后自己設計機架，不然密封會很難做，
繼電器的作用是為了安全起見，因為四旋翼的電流較大，普通的開關承受不了那么大的電流，
多芯水密連接器是為了充電用，這樣不充電的時候擰上母堵頭密封，充電的時候擰下母堵頭插上對插線就可以充電， 水密連接器長這個樣子：
硬體連接示意圖如圖所示，
如果你不是做水下四旋翼只想做空中的四旋翼，上面的硬體框架與軟體框架你一樣可以用的，只不過不需要考慮防水、密封等，反而簡單多了，
從下一章開始我們開始寫代碼，依次實作遙控器通信、傳感器資料融合、姿態控制、資料傳輸等功能，都看到這里了，點個贊再走唄！
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