4枚のプロペラを回して飛ぶクアッドコプターをmbedで制作するメモ。

航空系のことも、mbedのことも勉強しながら作っているので、間違い等あれば指摘していただけると幸いです。

概要

• クアッドコプター本体 : フレームキットを購入し組み立て
• モータ、アンプ等 : ブラシレスモータを購入しフレームに取り付ける
• 制御系 : mbedと、加速度センサ／ジャイロセンサで自作

つかった部品

• フレーム
  • Hobbyking X550 クワッドコプターフレーム(FRP製)

• 駆動系

（まだ未定、適当なブラシレスモータ）

• プロペラ
  • （未定）

• センサー
  • 3軸加速度、3軸ジャイロセンサー : SFE-SEN-10121 IMU シックス・ディグリーズ・オブ・フリーダム ITG-3200/ADXL345
    • SwitchScienceで購入(上のリンク)、6,495 円
    • SparkFun製
    • https://www.sparkfun.com/products/10121?
    • これをArduinoで使っているページhttp://bildr.org/2012/03/stable-orientation-digital-imu-6dof-arduino/
  • 超音波センサー : seeedstudio SEN136B5B(Ultra Sonic range measurement module)
    • それについて書かれたwiki(公式？) http://www.seeedstudio.com/wiki/Ultra_Sonic_range_measurement_module

• 制御系
  • mbed(青い方)
• 無線系
  • XBee ZB / ワイヤアンテナ型

各所のまとめ

超音波距離センサ

今回使った超音波センサseeedstudio SEN136B5B(Ultra Sonic range measurement module)は、http://mbed.org/cookbook/Seeed-grove-ultrasonic-rangerに書いてあるものとほとんど同じ。（こっちのほうが型が古い？）上記ページに書いてあったプログラム、ライブラリがそのまま使えた。 サンプルプログラムはこれ。

Xbee

mbedとつなぐ

1 VCC -------------- 3.3v
2 DOUT ------------- mbed serial rx (e.g. p10)
3 DIN -------------- mbed serial tx (e.g. p9)
4 not connected
5 RESET ------------ mbed digital out (e.g p11)
6-9 not connected
10 GND ------------- 0v/GND
11-20 not connected  

ATモードしか使わないのであれば、シリアルでmbedとつないでprintf等すれば良い。

設定

設定で詰まったところメモ

• 片方が coordinator , 片方が router になる。
• Addressing - SH, SL(Serial Number)
  • これはモジュール固有の番号（本体裏面にも書いてある）
  • これをdestinationに指定して飛ばすので、控えておく。
• Networking - ID(PAN-ID)
  • 親機と子機で一致させる(ID=0なら、coordinatorが自動設定）
• JV(Channel Verification)
  • 実験段階では設定変更の柔軟性からJV=1がいいかも、らしい。
• DH, DL(Destination Address)
  • router : DH, DL = 0（親機の意味）
  • coordinator : DH, DL = router の SH, SL

パソコンとの通信などについての詳細

pheehsさんが詳しく書いてくれた。 https://github.com/Kph-Lab/QRdrone/blob/master/README.md

扱う情報は…

• ヘリから
  • 加速度
  • 角速度
  • 高度
  • 位置座標
  • モーター出力
  • 動作モード
• PCにつないだコントローラから
  • モーター出力レバーからの値
  • 方向レバーからの値
• 無線カメラから
  • カメラ映像

プロトコル

\xff は必ず後ろに \x01 をつける。すぐ後に \x00 が来たら magic number とみなす。 この変換処理は、長さで混乱しないように送信直前と受信直後にやる。

[ magic number 2byte ][ message type 2byte ][ length 4byte ][ crc-32 4byte ] [ data ]

message type とは

ヘリコプターからPCへ、コントローラからヘリコプターへと、コマンドにも色々種類があるわけなので、「どんな種類か？」のデータをヘッダ部に埋め込んじゃおうということなのですが

• モード変更(change mode : 0x10)
  • droneは幾つかのモードを持っていて、通常航行モード・（ホバリングモード）・離着陸モード・緊急モード を現段階では考えている。
    • 通常航行 : 加速度センサ・ジャイロセンサの情報基準の自動姿勢保持 + コントローラからの情報基準の手動制御（移動とか上下動など）
    • 離着陸 : 加速度センサ・ジャイロセンサの情報基準の自動姿勢保持 + 距離センサによる精密な高度測定情報に基づく自動着陸？とか
    • 緊急 : ぶつかったとか、バッテリー切れとか、モーター障害などの時用に有無を言わず非常停止するモード（と言うよりシグナル？）
  • body : [移行させたいモード番号]
• モード変更OK(ok change mode : 0x11)
  • drone がモード変更を了解した時のへんじ
  • body : [これから移行するモードの番号]
• センサ情報(report context : 0x20)
  • PC がセンサ情報を表示するために、drone が送る情報。
  • body : [ 0x20 ][ 加速度 ][ 角速度 ][ 高度 ][ GPSによる座標 ][ モーター出力 ]
• コントローラ情報(change gearshift : 0x30)
  • これをもとに drone はモーター出力を決める。
  • body : [ 速度レバー ][ 方向レバー(ピッチ) ][ 方向レバー(ロール) ]

CRC

mbed で crc32 を計算する library つくった

参考 : http://d.hatena.ne.jp/eth0jp/20110603/1307033578 ありがとうございました

crc32("aaa", 3)

みたいな感じ

デバッグなど

/users/okini3939/notebook/mbed256_debug/がとても参考になりました。

Nokiaの画面

sparkfun製のColor LCD Breakout Boardを、ヘリコプターに取り付けるなどして状況表示用のモニターにする計画。そのために使い方を探した。

上の Color LCD Breakout Board は Nokia 6100 が取り付けられているらしい。

mbed.org の cookbook の Nokia-LCD を参照すると、そのページの写真はひとつ古い型の https://www.sparkfun.com/products/8600? になっている。だが問題なく使える（サンプルプログラムはそのまま動いた）

ただし、ピン配置が若干異なる。

#include "NokiaLCD.h"
NokiaLCD lcd(p5, p7, p8, p11, NokiaLCD::LCD6610); // mosi, sclk, cs, rst, type
/*
1 S1
2 S2
3 CS --- 8(cs)
4 SCK --- 7(sclk)
5 DIO --- 5(mosi)
6 RESET --- 9(rst)
7 STAT2
8 STAT1
9 STAT0
10 GND --- GND
11 3.3V --- Vout(3.3V)
12 VBATT --- Vout(3.3V)
*/

おそらく STAT02 は基板に実装されている RGB-LED につながっていて、S1, S2 は基板上にある2つのタクトスイッチにつながっているものと思われる。

IMU(加速度、ジャイロ)関連

mbed.org 公式の cookbook - IMF の項 http://mbed.org/cookbook/IMU がまさにぴったりだった。For use of the Digital Combo Board のところ参照。

今回使った ADXL345 accelerometer and ITG-3200 gyroscope は I2C でつなぐ。

接続

SCL --- p10(scl)
SDA --- p9(sda)
GND --- GND
3.3V --- Vout(3.3V)

SCL線、SDA線それぞれにプルアップ抵抗が必要。2.2KΩ くらい。

I2C について調べたこと

• マスタとスレーブがあり、マスタが絶対的な権限を持つ。
• スレーブはそれぞれアドレスを持っていて、そのアドレスを元に通信する。
• というのも、パーティーライン状に、一つのマスタに複数のスレーブをつなぐことが出来るから。

• この 6-degrees of freedom センサボードは、要するに加速度センサとジャイロセンサをI2Cでつなげたもの（ボード内としても、マイコンとの接続的にも）
  • マイコンに加速度センサ、ジャイロセンサを別々に I2C でつないでいるのと同じ。アドレスは別々にある。
  • 使うピンは少なくて済むし、2つのセンサ間のズレも気にしなくて済むというメリットはある。

というわけで、加速度／ジャイロセンサのデータシートを読む必要が出てきたのであった。

• Datasheet (ITG-3200)
• Datasheet (ADXL345)

Gyro ITG-3200

murabitoさんのNote - 3軸デジタルジャイロ ITG-3200 を参考に見てみる。

ふむふむ。

制御ソフトウエア関連

いま考えている。　メモ

モーターの最終出力 0.0f ~ 1.0f ←これを決定する値：コントローラからの値＋現状維持のための調節（IMUからの値） 停止時:0.0 コントローラーからの命令で上昇（回転数上げる）:0.0+0.10.8 前傾姿勢に変更（回転など）:0.0+0.10.8+-0.5 スロットルに見合わない回転をかけることは拒否する必要がある

まずはスロットル＋IMUによる姿勢制御のみのプログラムを作ってみる。 (PID制御じゃなくてもいいかも　比例制御のみで） 普段は+-0.1くらいの振れ幅、緊急時(45度くらい傾いているとき)のみ0.5くらいの振れ幅を許可。 これをどう統一的に解決することができるのか。