MWC飞控增加声纳定高的方法

MWC飞控增加声纳定高的方法

2015.12.17 更新：经过2个周末的上机测试，该算法效果很好，在低空超声锁高之后离地高度非常稳定，现在已经成功应用在低空航拍上了。

现状

MWC开源飞控已经很有点年头了，现在好多新的穿越机改用CC3D、航拍机改用APM，商业化的飞控也很多了。但是MWC作为基于Arduino的开源飞控，可以说非常成熟而且代码简单易懂，便宜，效果也不错，所以我的四轴平台依然采用了MWC飞控。MWC2.4相对前代的改进，主要是加入了对串口GPS的支持，修复了声纳崩溃问题，以及改进了计算实时性。但是声纳定高依然没有得到官方支持（包括I2C声纳）。新加入的GPS支持，由于占用内存过高，实际上在Mega之外的Arduino上无法使用。一个没有GPS定点和声纳定高的飞控，就相当于一个简单的增稳飞控而已，没有一定的技术的话生存能力不是太高。个人觉得MWC有点走偏了。

所以我的思路是在MWC2.4的基础上进一步实现声纳定高和GPS定点，至于GPS RTB、WP等功能等生存能力提高之后再考虑。声纳定高和GPS定点应该都不会对内存造成过大的压力。这次首先介绍声纳定高的方法。

传统的MWC为了支持GPS和声纳，一般是使用I2C_GPS_Nav这个项目，外置一片Arduino作为I2C GPS和声纳板。另外网上有些高手自行给MWC打了补丁，可以在低空用声纳数据覆盖气压计数据，从而利用气压定高代码。

思路

我的声纳定高基本思路也是利用气压定高代码。

但是气压计的高度读数与飞机本身姿态无关，而超声波必须考虑机身倾斜程度，将测得的距离向Z轴投影，才是真实的高度。

网上对于MWC Baro模式的描述往往就是一句气压定高，具体的使用方法并没有讲得很清楚。阅读代码发现，Baro模式的具体行为是，油门不变，MWC会维持在进入Baro时的高度上；以进入Baro模式时为基准，增减油门飞机会升降，其速率为油门每增减100点，速度相应的增减30cm/s左右；油门回到基准则维持当前高度。

用Baro模式辅助降落应该是比较有用的，飞机降到声纳有效范围之后，开启Baro模式，稍微收油，飞机缓缓降落。

实现

首先是需要把I2C_GPS_Nav中对于Pingpong型声纳的代码移植到MWC2.4的Sensor.cpp中。

我的MWC上A1和A2是空出来的，所以就用这两个作为声纳的信号引脚。

// ************************************************************************************************************
// Pingpong Sonar
// ************************************************************************************************************
// 2015.11.29 by XD : ported from I2C_GPS_NAV_v2_2
#if defined(PINGPONG_SONAR)
volatile static uint32_t Sonar_starTime = 0;
volatile static uint32_t Sonar_echoTime = 0;
volatile static uint16_t Sonar_waiting_echo = 0;

void Sonar_init()
{
  // Pin change interrupt control register - enables interrupt vectors
  PCICR  |= (1<<PCIE1); // Port C
 
  // Pin change mask registers decide which pins are enabled as triggers
  PCMSK1 |= (1<<PCINT10); // echo, arduino pin A2, PC2
  
  DDRC |= 0x02; // trigger, arduino pin A1, triggerpin PC1 as output
  Sonar_update();
}

ISR(PCINT1_vect) {
    //uint8_t pin = PINC;
    if (PINC & 1<<PCINT10) {     //indicates if the bit 0 of the arduino port [B0-B7] is at a high state
      Sonar_starTime = micros();
    }
    else {
      Sonar_echoTime = micros() - Sonar_starTime; // Echo time in microseconds
     
      if (Sonar_echoTime <= 700*58) {     // valid distance
        sonarAlt = Sonar_echoTime / 58;
      }
      else
      {
        // No valid data
        sonarAlt = -1;
      }
      Sonar_waiting_echo = 0;
    }
}

void Sonar_update()
{
  if (Sonar_waiting_echo == 0)
  {
    // Send 2ms LOW pulse to ensure we get a nice clean pulse
    // PORTC &= ~(0x08);//PC3 low    
    PORTC &= ~(0x02);//PC1 low    
    delayMicroseconds(2);
   
    // send 10 microsecond pulse
    // PORTC |= (0x08);//PC3 high 
    PORTC |= (0x02);//PC1 high 
    // wait 10 microseconds before turning off
    delayMicroseconds(10);
    // stop sending the pulse
    // PORTC &= ~(0x08);//PC3 low
    PORTC &= ~(0x02);//PC1 low
    Sonar_waiting_echo = 1;
  }
}
#endif // #if defined(PINGPONG_SONAR)

我用的声纳就是X宝上买的10多块号称比较准的超声波模块，拔掉背后的跳线帽就是Pingpong模式（不然是串口模式），这种模块还可以输出温度值用于距离补偿，但是读取温度需要额外占用10多us，而且绝对距离在飞控上意义不大，所以暂时不考虑。这种Pingpong声纳在读取距离的时候会占用10多us，相当于100多个时钟周期，软件开销还是有点的。不过好在便宜，I2C的声纳要100多软妹币，这个只要10多块。

官方I2C声纳的代码最后，如果所有的I2C声纳都没有定义，则会把Sonar_init和Sonar_update定义为空函数。这里（2.4版本Sensor.cpp:1576）需要进行一点修改，避免重复定义Sonar_init和Sonar_update：

#if !defined(PINGPONG_SONAR) // 2015.11.29 by XD : check for pingpong
inline void Sonar_init() {}
void Sonar_update() {}
#endif

在Config.h中开启Pingpong声纳：

#define PINGPONG_SONAR 

要注意在def.h中添加对Pingpong声纳的支持：

#if defined(SRF02) || defined(SRF08) || defined(SRF10) || defined(SRC235) || defined(I2C_GPS_SONAR) || defined(PINGPONG_SONAR) // 2015.11.29 by XD : ported from I2C_GPS_NAV_v2_2
  #define SONAR 1
#else
  #define SONAR 0
#endif

编译通过并且正确连接声纳（Trigger接A1，Echo接A2）的话，可以看到MWC GUI上Sonar的标签变绿了。

但是现在声纳数据还没有被使用，需要进一步添加代码使之与气压计数据结合。修改IMU.cpp中getEstimatedAltitude()函数，在BaroEstAlt LPF之后进行融合：

  BaroEstAlt = (BaroEstAlt * 6 + BaroAlt ) >> 3; // additional LPF to reduce baro noise (faster by 30 µs)

  // 2015.11.29 by XD, if sonar reads less than 4.2m (sensor limit 4.5m - safety margin 0.3m), use sonar
  // this maybe unsafe...
  if ((sonarAlt > 0 && sonarAlt < 420) || 
    ((att.angle[ROLL] > -90 && att.angle[ROLL] < 90) && (att.angle[PITCH] > -90 && att.angle[PITCH] < 90)))
  {
    // actual alt = sonarAlt * cos(att.angle[ROLL]) * cos(att.angle[PITCH])
    int32_t actualAlt = abs((int32_t)sonarAlt * (_cos10(att.angle[ROLL]) * _cos10(att.angle[PITCH]) >> 8));
    alt.EstAlt = actualAlt >> 12;
  }
  else
    alt.EstAlt = BaroEstAlt;

上面这段代码中，声纳的测量值乘以Roll和Pitch的余弦就是向Z轴的投影，最终高度结果是以cm为单位。_cos10()是用于计算余弦的函数。

其实这个算法个人感觉有可能不安全，当高度超过声纳阈值的时候会突然切换到气压计高度，中间的误差可能导致飞机猛烈晃动。可以考虑设置一个过渡区，根据飞机的高度对声纳/气压数据进行权重加和，权重根据高度自动调节。

Arduino库中的cos函数开销太大，经过测试，使用原装cos函数，MWC较难在2.8ms内跑完一个周期（计算周期可以在GUI的Cycle Time查看，2.4版本大部分时候都在2800us，略有跳动）。

所以需要自己编写快速余弦函数：

// 2015.11.30 by XD, x is in 0.1 deg, returns cos * (1 << 10)
// when x approaches zero, cos(x) = 1 - x ^ 2 / 2, x is in radians
// https://en.wikipedia.org/wiki/Small-angle_approximation
// rad = deg / 180 * PI
int32_t _cos10(int16_t x)
{
  // x within [-1800, 1800]
  int32_t radTemp = (int32_t)x * 114; // rad = x * ((PI / 1800) << 16), rad within [-205200, 205200]
  int32_t rad = radTemp >> 6; // rad ^ 2 within [-657922500, 657922500]
  
  int32_t cos20 = ((uint32_t)1 << 20) - ((rad * rad) >> 1);
  int32_t result = cos20 >> 10;
  
  return result;
}

使用的算法和MWC IMU差不多，在小角度的条件下计算三角函数的级数展开式前两项。对于cos来说：cos(x) = 1 - x ^ 2 / 2，x是弧度单位。

由于Arduino没有浮点单元和硬件除法器，需要尽量避免这两种运算，这里直接手工计算PI / 1800并扩大65536倍（1 << 16）。

在求平方的时候，为了保证计算不越界，需要预先进行移位操作。

计算完成后将结果右移，最终保持10位2进制有效数字，差不多相当于4位10进制有效数字。最终结果相当于余弦乘以1024。

在前面的数据融合代码中，我们也可以看到移位操作，就是用来避免计算越界，以及把余弦多乘的1024除回来。

最后在四轴上实际测试的效果不错，Cycle Time没有明显变化，算出来的高度还是很准的，准备周末去实地飞行了。