České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra počítačů Bakalářská práce Ovládání RC modelu pomocí Wi-fi Pavel Valenta Vedoucí práce: Ing. Martin Komárek Studijní program: Softwarové technologie a management, Bakalářský Obor: Softwarové inženýrství 25. ledna 2011
iv
v Poděkování Zde můžete napsat své poděkování, pokud chcete a máte komu děkovat.
vi
vii Prohlášení Prohlašuji, že jsem práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). Ve Velkých přílepech dne 0. 0. 2011.............................................................
viii
Abstract TODO: Translation of Czech abstract into English. Abstrakt Bakalářská práce se zabývá ovládáním RC modelů s použitím síťové technologie Wi-Fi. Práce popisuje implementaci modelu bezdrátového ovládání RC modelů a v nich zabudovaných zařízení, které je založené na využití ISO/OSI modelu a standardních síťových komunikačních protokolů. ix
x
Obsah xi
xii OBSAH
Seznam obrázků xiii
xiv SEZNAM OBRÁZKŮ
Seznam tabulek xv
xvi SEZNAM TABULEK
Kapitola 1 Úvod Motivací pro tuto práci je vytvoření typu ovládání, které umožní řízení modelu z běžně dostupných zařízení s podporou Wi-Fi, bez nutnosti použití speciálního ovladače se specifickou dvojicí vysílače a přijímače. To umožní mimo jiné získat plnou kontrolu nad komunikací mezi ovladačem a modelem, možnost správy, ovládání a použití dalších zařízení integrovaných do modelu. 1
2 KAPITOLA 1. ÚVOD
Kapitola 2 Teorie a cíle 2.1 Historie Bezdrátové ovládání modelů pomocí je známé od roku 1897, kdy Nikola Tesla vytvořil model lodi, který bezdrátově ovládal pomocí rádiových vln ze břehu. Velkého rozvoji rádiového ovládání přispěly válečné konfliky, technologie vzdáleného ovládání se využívala pro řízení letové dráhy bomb ale i pro vzdálené ovládání velkých bezposádkových strojů jako jsou tanky a lodě. [? ] Implementace tranzistorů a elektrických v šedesátých letech snížilo cenu a umožnilo širší použití technologie rádiového ovládání a zpřístupnění většinové populaci. 2.2 Klasické rádiové ovládání modelů Přímé ovládání modelu je implementováno s použitím modelářských servo motorů - elektromotorů s možností kontroly pozice, které svým pohybem řídí pohyb přímých ovládacích prvků modelu, např. natočení kol u modelů aut nebo klapky u modelů letadel. Řízení servomotorů je typicky realizováno pomocí pulzně šířkové modulace. Servomotor přijímá pulzy s určitou šířkou a překládá je na pozici. Typicky má servomotor rozsah pohybu 90, potom šířka pulzu 1,5 ms je vždy přeložena na neutrální pozici - pozici 45. Zmenšování šířky pulzu až k 1,25 ms určuje pozici mezi 0 a 45 a naopak zvětšování bude přeloženo na pozici od 45 do 90. [? ] Rozlišení jednotlivých servomotorů je řešeno pomocí různých kanálů. Ve vysílači jsou impulsy k pohybu servomotorů zmodulovány a zakódovány do jediného rádiového signálu, který příjmač zpětnš demoduluje a dekóduje a pošle příslušné PWM signály jednotlivým servomotorům. Starý a stále běžně používaný způsob komunikace pro přenos informace z ovladače do modelu je jednoduchý přenos po rádiových vlnách s frekvencí v řádu megahertz. Typicky jsou to frekvence 27 MHz, 35 MHz a 40 MHz. Moderní způsob komunikace je využití rádiových vln o frekvenci 2,4 GHz. Zvýšení frekvence přináší menší nároky na elektrickou energii a větší odolnost proti rušení od dalších vysílačů a elektromagnetického šumu z elektromotorů. Negativní vlastností vyšší frekvence je menší propustnost pevnými objekty. 3
4 KAPITOLA 2. TEORIE A CÍLE 2.3 Použití Wi-Fi 2.3.1 Přínosy Wi-Fi sítě pro ovládání modelů Hlavním rozdílem proti klasickému rádiovému ovládání modelů je změna pohledu na zařízení z "černé skříňky", která na vstup ovladače reaguje pohybem servomotoru, na komunikaci pomocí počítačové sítě. Jako přijímač a vysílač a vysílač slouží počítače propojené bezdrátovou sítí. Počítače nám narozdíl od jednoduchých čipů umožňují pokročilé programování a běh přijímače a vysílače jako aplikací, které mají možnost spolupracovat s dalšími hardwarovými moduly nezávisle na ovládání a bez fixace na specifický hardware. Rušení při provozu více zařízení na stejné frekvenci může být filtorváno definováním modelu, který má signál přijmout.použití počítačů v modelu je umožněno vývojem směřujícím k miniaturizaci, přijímačem může být minipočítač s nízkou spotřebou elektrické energie. V oblasti přenosu signálu Wi-Fi přináší spoustu možností pro řízení komunikace, především bezpečnosti přenosu, pomocí definovaných komunikačních protokolů a referenčního modelu ISO/OSI. 2.3.2 Model ISO/OSI Model OSI rozděluje komplexní komunikační systém do sedmi vrstev. Každá vrstva má svůj specifický úkol a nestará se o činnost ostatních vstev [? ]. Klasická rádiová komunikace z pohledu OSI modelu využívá pouze fyzickou (rádiové vlny) a datovou vrstvu (zakódované ovládací signály) a komunikace probíhá pouze jedním směrem. Při použití komunikace podle tohoto modelu se řídící aplikace nemusí starat o fyzické parametry komunikace. Vysílající aplikace svá data předá do nižší vrstvy kde dojde k postupnému zapouzdření až do vrstvy první a odeslání po médiu. Přijímající aplikace podobně dostane pouze data odeslaná vysílací aplikací, oproštěná od ostatních dat potřebných k uskutečnění fyzické komunikace. Obrázek 2.1: Grafické znázornění vrstev modelu OSI
2.4. CÍLE PRÁCE 5 2.3.3 Komunikační protokoly transportní vrstvy OSI Transportní (čtvrtá) vrstva zajišťuje vlastní přenos dat pro vyšší vrstvy. Výběr vhodného komunikačního protokolu umožnuje ovlivnit přístup ke kvalitě zprostředkovaného datového přenosu. Typickými zástupci jsou protokoly TCP a UDP. TCP protokol představuje protokol s aktivním spojením, který je odolný proti ztrátám při fyzickém přenosu, vyšším vrstvám tedy neuniknou žádná data. Je vhodný pro přenosy kde je jistota doručení kritická. UDP protokol je naopak bezespojový protokol, který se nestará o stav a pořadí doručení. Hlavní použití je pro posílání videa. 2.4 Cíle práce Cílem práce je analyzovat možnosti využití Wi-Fi pro ovládání modelu s použitím modulů s dalšími funkcemi (například s kamerou a gps přijímačem), navrhnout vhodné řešení problému pro různé typy modelů a implementovat jej v podobě specifického modelu.
6 KAPITOLA 2. TEORIE A CÍLE
Kapitola 3 Analýza 3.1 Analýza požadavků 3.1.1 Funkční požadavky Ovládání modelu v reálném čase Správná reakce servo motorů na příslušné akce ovladače Zobrazení provozních informací modelu Spolehlivý přenos dat Možnost připojení a zobrazení dat z kamery umístěné v modelu Integrace systému GPS Funkce zajištění modelu při ztrátě spojení Vytváření logů s provozními informacemi Vytváření statistik užívání modelu 3.1.2 Nefunkční požadavky Možnost úpravy pro různé typy modelů Funkčnost na různch operačních systémech Možnost použití různých typů ovladačů s podporou Wi-Fi Provoz aplikace na zařízení s omezenými systémovými prostředky 7
8 KAPITOLA 3. ANALÝZA 3.2 Analýza hardwarové části Pro ovládání modelu je z třeba vyřešit následující hardwarové problémy Mechanické ovládání modelu Řízení mechanického ovládání Jádro modelu Integrace zařízení v modelu Ovladač Napájení Mechanické ovládání modelu je nejlépe zajištěno pomocí servomotorů podle vzoru klasického ovládání modelů, jak je popsáno v sekci 2.2 v druhé kapitole. Implementaci stálého pohybu (vpřed-vzad u modelu automobilu nebo vrtule u modelu letadla) je možné zajistit použitím stejnosměrného elektromotoru nebo úpravou servomotoru pro možnost úplné rotace. Použití stejnosměrného motoru vyžaduje zapojení speciálního ovladače elektrických motorů nebo vlastní konstrukci jednoduchého ovladače - H-bridge [? ]. Přestavba servomotoru je komplikovanější, není možná u všech modelů a připraví servomotor o informaci o pozici. Řízení servomotorů je nejlépe realizováno pomocí jednoúčelového mikroprocesoru s deskou plošného spoje s konektory pro připojení servomotorů a s portem pro vstup instrukcí z nadřazené řídící jednotky. Mikroprocesor má přednastavené požaované reakce na příslušné vstupy. Ovladače kompletně připravené pro tento účel s různými typy vstupních portů se dají pořídit od výrobců robotických součástek. Za jádro modelu je pokládáno zařízení, které řídí všechny ostatní zařízení v modelu a umožňuje komunikaci s ovladačem. Jádrem ovládání modelu musí být mikropočítač s podporou Wi-Fi ve miniaturního počítače typu ALiX nebo smartphonu. Použití smartphonu v parametrech jasně převažuje nad použitím klasického minipočítače, není totiž potřeba řešit otázky rozměrů, napájení a integrace externích modulů. Nevýhodou je potom interakce s ovladačem servomotorů, použití technologie Bluetooth by znamenalo další bezdrátové spojení a instalaci dodatečného modulu zajišujícího přemostění, znovu objevená technologie USB-HOST pro mobilní zařízení může znamenat problémy se systémovou spojení s řídící jednotkou servomotorů a především vysokou pořizovací cenu. K mobilnímu telefonu také není možné připojit externí Wi-Fi anténu což může znamenat problémy s dosahem. Napájení je možné zajistit pomocí vhodného zapojení standardních baterií typu AAA nebo použití modelářských baterií. Servomotory využívají elektrickou energii z řídící jednotky. Při použití minipočítače jako jádra systému je třeba zajistit vyšší napájecí napětí. Ovladačem modelu se z hardwarového hlediska může stát každý přístroj schopný připojit se na Wi-Fi síť, který splňuje nároky ovládacího softwaru. Tyto podmínky splňuje většina moderních laptopů a mobilních telefonů.
3.3. ANALÝZA SOFTWAROVÉ ČÁSTI PRÁCE 9 3.3 Analýza softwarové části práce 3.4 Podobné realizované projekty
10 KAPITOLA 3. ANALÝZA
Kapitola 4 Návrh řešení 11
12 KAPITOLA 4. NÁVRH ŘEŠENÍ
Kapitola 5 Realizace Popis implementace/realizace se zaměřením na nestandardní části řešení. 13
14 KAPITOLA 5. REALIZACE
Kapitola 6 Testování Způsob, průběh a výsledky testování. Srovnání s existujícími řešeními, pokud jsou známy. 15
16 KAPITOLA 6. TESTOVÁNÍ
Kapitola 7 Závěr Zhodnocení splnění cílů DP/BP a vlastního přínosu práce (při formulaci je třeba vzít v potaz zadání práce). Diskuse dalšího možného pokračování práce. 17
18 KAPITOLA 7. ZÁVĚR
Literatura [1] Lindsay s technical archive - Advent of Wirelessly Controlled Torpedoes http://www.lindsaybks.com/arch/rdy/index.html. [2] Seattle Robotics Society - Whats a servo http://www.seattlerobotics.org/guide/servos.html [3] Infocellar - The OSI (Open System Interconnection) Model http://www.infocellar.com/networks/osi-model.htm [4] Chuck Mcmanis - H-Bridges: Theory and Practice http://www.mcmanis.com/chuck/robotics/tutorial/h-bridge/index.html 19