SOFTWAROVÁ A HARDWAROVÁ REVIZE DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ PRO MULTIKOPTÉRY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘÍCÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION SOFTWAROVÁ A HARDWAROVÁ REVIZE DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ PRO MULTIKOPTÉRY PROJEKT BROB 2015 AUTOR PRÁCE AUTHOR PATRIK SÁBLÍK VOJTĚCH PRACHAŘ VEDOUCÍ PRÁCE ING. PETR GÁBRLÍK SUPERVISOR

2 Zadání: Softwarová a hardwarová revize dálkového ovládání pro multikoptéry Cílem projektu je dovést dřívější bakalářskou práci realizující dálkové ovládání pro quadrotor do finální podoby. Studenti se seznámí s uvedenou prací a provedou úpravu softwaru a hardwaru dle pokynů vedoucího. Funkčnost dálkového ovládání bude ověřena na multikoptéře. 2

3 Obsah Zadání:... 2 Hardware... 4 Procesor... 4 Komunikační modul... 4 Display... 4 Ovládací prvky... 4 Napájení... 4 Popis desky... 5 Opravy provedené na nové desce... 5 Navrhnutá opravená deska... 6 Software... 7 Popis problému zpracování přijímaných dat... 7 Opravená verze zpracování přijatých dat... 8 Čtení stisku tlačítek... 9 Zobrazení teploty z kvadrokoptéry a napětí ovladače Stránka testující display Zobrazení aktuální polohy joysticků Závěr Fotogalerie Vrchní strana desky Spodní strana desky Usazení a úprava displeje Display

4 Hardware Procesor Za procesor jsme zvolili již stávající Atmel ATxmega256A3U. Má dostatek paměti, obsahuje A/D převodníky s dostatečným rozlišením a funguje do nízkého napájecího napětí 1,6V, což je výhodné pro napájení z baterie. Komunikační modul Pro komunikaci je použit modul DigiXBee-PRO pracující v pásmu 2,4GHz s dosahem udávaným výrobcem v otevřeném prostoru až 1600m. Display Display je taktéž původníoled Densitron DD-12864YO-3A s rozlišením 128x64. Jeho nevýhoda však je, že potřebuje napájecí napětí 12V. Ovládací prvky Ovladač obsahuje celkem 12 tlačítek a dva joysticky. Napájení Napájení ovladače je řešeno Li-Ion článkem Nexcell ICS mAh 3,7V. Všechny komponenty ovladače pracují s napájecím napětím 3,3V s výjimkou displaye, který požaduje 12V. Stabilizace napětí na 3,3V je řešena obvodem TPS76733QD. Pro napájení displaye slouží zvyšovač LM

5 Popis desky Deska, která již byla vyrobena, obsahovala několik chyb. - Nevhodně umístěný konektor pro display. - Zvyšovač LM2621 na 12V byl v zapojení podle výrobce nefunkční, zapojení nebylo uzpůsobeno pro vysoké výstupní napětí. - Joysticky připojeny na napětí 3,3V, ale A/D převodník je schopný pracovat pouze do 2V, nebylo tak možné měřit celý jejich rozsah. - ZigBee modul byl s procesorem propojen pouze komunikačními vývody RX a TX. Není tak možné využít funkcí modulu, jako detekce zaplněného bufferu. - Neoddělená analogová a digitální zem. - Špatná odolnost programovacího konektoru proti poškození. Opravy provedené na nové desce - Konektor umístěn do lepší pozice. - Zapojení zvyšovače opraveno, obr. 1. Obr. 1 Zapojení LM Joysticky připojeny přes rezistory, lze tak snímat celý jejich rozsah. - Komunikační modul je nyní připojen všemi vývody a je tak možné využít všech funkcí. - Analogová a digitální zem rozdělena a v jednom místě spojena nulovým rezistorem. 5

6 - Programovací konektor nahrazen a umístěn tak, že je přístupný ze spodní strany ovladače. - Každé tlačítko je zapojeno na jeden pin procesoru oproti původnímu zapojení tlačítek do matice. Navrhnutá opravená deska Spodní strana desky Horní strana desky 6

7 Software Popis problému zpracování přijímaných dat 1. if(usart_rxbufferdata_available(&usart_data)) { tmp=usart_rxbuffer_getbyte(&usart_data); 3. if(tmp==0xfd&&index!=0&&receivearray[0]!=0xfd) 4. { error_count++; index=0; 5. } 6. receivearray[index]=tmp; 7. if(index++==4) 8. paket_end=6+receivearray[4]; 9. if(index==paket_end Základní problém, který nám byl dán při zadání, byl, že se procesor v ovladači po náhodně dlouhé době zasekává. Při rozboru kódu jsem narazil na problém, který toto zaseknutí vyvolával. Problémem bylo právě přetečení pole. Část problémového kódu je výše, kde na první řádku je podmínka, že jsou přijata data a dále se data již jen zpracovávají. Problém však nastává na 3. řádku, protože pokud nastane chyba, že sice máme na prvním místě pole byte 0xFD jak požaduje protokol, ale v průběhu přijde další byt 0xFD (což dle protokolu znamená chybu, jelikož tento byte může být jen na začátku paketu) tak tato chyba není zaznamenána a pokračuje se dále v programu. Tento problém však pád programu způsobit nemusí, protože počet bytů v paketu je specifikován bytem LEN. Další, a o to horší problém je však dále. Tento kód nijak nekontroluje, zda paket LEN je opravdu paket LEN. Proto se může stát a také se stalo, že po několika chybách v komunikaci (které jsou běžné) se jako délka paketu nastaví číslo větší než 50, což má za následek, že program spadne z důvodu, že chce ukládat tam, kam nemá. 7

8 Opravená verze zpracování přijatých dat 1. if(usart_rxbufferdata_available(&usart_data)) { 2. receivearray[index_]=usart_rxbuffer_getbyte(&usart_data); 3. if(receivearray[index_]==0xfd&&index_!=0) { error_count++; receivearray[0]=0xfd; index_=0; } 4. if(receivearray[0]!=0xfd) index_=0; 5. if(index_++==4) { if((receivearray[3]>>4==0x08 receivearray[3]>>3==0x00 receiv earray[3]==0x90)&&receivearray[4]<40) paket_end=6+receivearray[4]; else index_=0; } 6. if(index_==paket_end) Stejně jako v původní verzi se první kontroluje, zda je co přijímat. Pokud je, provede se další část programu. Dále se již kód od původní verze podstatně liší. Byla odstraněna pomocná proměnná a přijatá data se pomocí funkce USART_RXBuffer_GetByte(&USART_data) přímo ukládají podle indexu na své místo v poli. Na dalším řádku (4.) se kontroluje, zda nepřišel byte 0xFD, který by značil začátek paketu a zároveň kontroluje, jestli byl tento byte uložen na nulté místo v poli. Pokud však index se nerovná 0 a přesto přišel byte značící začátek paketu, tak se přičte do čítače chyb 1, byte 0xFD je uložen na správné, nulté místo pole a index je nastaven na hodnotu 0, aby kód mohl správně zpracovávat další příchozí byty. Na řádku 5. je podmínka, která pokud není na začátku pole byt 0xFD (což při správné funkci nemůže nastat) drží hodnotu indexu na hodnotě 0. 8

9 Na řádku 6. se hodnota indexu zvyšuje o hodnotu 1 a zároveň se zde provádí podmínka, která čeká na 4. byte, ve kterém je uložena délka datové části paketu. Pokud je podmínka splněna, tak se provádí další podmínka, která je další velkou změnou oproti původní verzi a zlepšuje rychlost odhalování chyb v přenosu. V podmínce je dán filtr který zkoumá, zda v bytu 3 (který udává typ přenášených dat) je hodnota, která je možná. A dále zkoumá, jestli v bytu 4 není hodnota větší než 40 (tato hodnota je určena dle nejdelšího možného přijímaného paketu plus rezerva pro další rozšíření). Pokud jsou obě podmínky splněny, tak je do proměnné: paket end uložena délka celého paketu, pokud však podmínka splněna není, je nastaven index na hodnotu 0 a je čekáno na další paket. Čtení stisku tlačítek voidreadbuttons() { if(!test(portb_in,2)); elseif(!test(portb_in,4)) { displej--; displej=displej%3; } elseif(!test(portb_in,5)); elseif(!test(portb_in,6)); elseif(!test(portb_in,7)) { displej++; displej=displej%3; } elseif(!test(portc_in,0)); elseif(!test(portc_in,1)); elseif(!test(porte_in,4)) usartc0_tx_robot_mode(1); elseif(!test(porte_in,5)); elseif(!test(porte_in,6)); elseif(!test(porte_in,7)) SET(PORTC_OUT,7); elseif(!test(portf_in,0)) if(test(porte_in,7)) RES(PORTC_OUT,7); elseif(!test(portf_in,1)) usartc0_tx_robot_mode(0); elseif(!test(portf_in,3)); } 9

10 Čtení stisku tlačítek je realizováno funkcí ReadButtons, která je volána přibližně každých 20ms z části: main. Hlavní změnou v této části programu bylo to, že na dřívější desce byla tlačítka v matici, kde byly problémy s přepínáním řádků a čtením sloupců matice, kde se muselo čekat na ustálení přechodového děje. V této verzi je každé tlačítko připojeno na právě jeden pin procesoru, což umožňuje rychlejší test sepnutí tlačítek. Zobrazení teploty z kvadrokoptéry a napětí ovladače Jelikož od té doby, co byl psán poslední program pro tento ovladač, uběhl nějaký čas a v tomto čase byl aktualizován protokol přenosu, musela být přidána možnost přijmout a zobrazit teplotu. To bylo vyřešeno přidáním krátkého kódu: case0x90: Temperature=receiveArray[5]; Temperature=(Temperature<<8)+receiveArray[6]; Dále také byla zprovozněna dříve implementovaná funkce pro zobrazení napětí baterie v ovladači. Problém se slabým svícením displeje Již při prvním spuštění ovladače jsme si všimli, že data zobrazená na display jsou velmi slabá a těžce čitelná, což jsme přisuzovali jako vlastnost tohoto displeje. Při bližším prozkoumání kódu jsme však zjistili, že při zapnutí procesor vypne převodník na 12V, který je určen právě pro napájení displeje. Proto bylo řešení jednoduché - nastavili jsme 7. pin na portu C na 1. SET(PORTC_OUT,7); 10

11 Stránka testující display Show_String("TEST ",0,0); Show_String(" O O ",1,0); Show_String(" \\ / ",2,0); Show_String(" XXXX URANUS ",3,0); Show_String(" XXXX LINK",4,0); Show_String(" / \\ ",5,0); Show_String(" O O ",6,0); Show_String(" ",7,0); Horizontal_Scroll(1,1,0,31,100,0); Pro testování funkce displeje byla implementována část kódu, která zobrazuje nápis: URANUS LINK a kvadrokoptéru v textové podobě. Tento obrazec je posouván horizontálně po obrazovce. Zobrazení aktuální polohy joysticků Show_String("Joystick: ",1,0); Show_String("X: Y: ",2,0); Show_String("X: Y: ",3,0); Na jiné stránce je také ukázána aktuální poloha joysticků, která je odesílána do kvadrokoptéry. 11

12 Závěr Při tvorbě tohoto projektu jsme se potýkali s mnoha problémy, které se nám ve většině případů podařilo opravit. Našim základním úkolem bylo zprovoznit příjem dat ovladačem, což se nám podařilo ještě v původní revizi ovladače. Také jsme usadili display, který je teď, na rozdíl od původní verze, čitelný celý a byly také opraveny a přidány informace o stavu ovládané kvadrokoptéry. Poté byla původní deska rozebrána a vyrobena nová. Nová deska bohužel přišla až poslední týden semestru a byl na ni napájen procesor ze staré desky, který jak se ukázalo po osazení celé desky, byl nejspíše poškozen a způsoboval zkrat mezi napájecí větví 3,3V a zemí (GND). Proto při hledání závady byla skoro celá deska zbavena součástek a některé cesty přerušeny, avšak i přes toto drastické hledání problému nebyl problém odstraněn, protože jsme neměli k dispozici techniku pro odpájení procesoru, který by mohl být nahrazen novým. 12

13 Fotogalerie Vrchní strana desky Deska je již bez některých součástek, které bylo nutné odstranit kvůli hledání zkratu, který nejspíše byl v samotném procesoru. Spodní strana desky 13

14 Usazení a úprava displeje Display 14