Хочу сделать плату

Много было вопросов про печатную плату для моего квадрокоптера, кто-то даже начинал ее делать. Решил вот ее сделать сам. Разрабатывать буду в полностью открытом режиме: буду публиковать промежуточные этапы и учитывать ваш фидбэк. Сама прошивка останется совместимой как с версией Flix на плате, так и с «обычной» версией из отдельных компонентов. Я не большой умелец в пайке, поэтому хочу, чтобы плата была изготовлена «под ключ» — сразу с напаянными компонентами.

В комментариях я хотел бы обсудить — а как ее, собственно, лучше сделать?

Вопросы:

1️⃣ Какой сейчас самый доступный способ изготовить такую плату и доставить ее в Москву?

2️⃣ Какой софт лучше использовать для разводки платы?

3️⃣ Какие компоненты можно использовать, чтобы плату можно было произвести целиком сразу с напайкой, их надо брать из какого-то определенного списка?

Немного забегая вперед — плату я хочу сделать чуть более универсальной, чем только для квадрокоптера. Но подробности и полное описание того, чего я хочу сделать — в следующем посте! #pcb

Что хочу разместить на плате

Как я уже писал, я хочу сделать плату чуть более универсальной, чем только для квадрокоптера. На ней сможет работать Flix, но она будет подходить и для других проектов, которым может потребоваться мощный микроконтроллер с Wi-Fi и инерциальный датчик: например, для учебных мобильных роботов или чего похожего.

Список компонентов, которые я собираюсь на ней разместить (вначале обязательные, в конце — под вопросом):

🔹 Микроконтроллер + обвязка. Классический ESP32 либо более новый ESP32-S3. Последний мощнее и нативно поддерживает USB — то есть не требуется преобразователь USB-UART. Правда, по некоторым параметрам он хуже, например, в нем меньше PWM выходов. Пока думаю над выбором.
🔹 Вход питания от LiPo-аккумулятора и цепь для измерения заряда аккумулятора.
🔹 Датчик IMU. Наиболее вероятные кандидаты: ICM-20948 или ICM-42688-P/ICM-20602/MPU-6500 (без магнитометра).
🔹 Выходы на коллекторные моторы — MOSFET и обвязка.
🔹 Один или несколько светодиодов для индикации состояния.
🔹 Разъем для подключения шлейфа камеры, аналогичный плате ESP32-CAM. Для реализации простейших алгоритмов компьютерного зрения.
🔹 Слот для SD-карты?
🔹 Барометр?

Также хочу развести на плате гребенку со всеми основными пинами ESP32. К ним можно будет припаять RC-приемник, ESC бесколлекторных моторов, дополнительные датчики и что угодно еще — как на обычной отладочной плате ESP32.

Жду ваших комментариев и предложений! #pcb

✅ Реализовал MAVLink Console — доступ до интерфейса командной строки Flix через QGroundControl (коммит).

Команды пользователя и ответ на них запаковываются в специальное MAVLink-сообщение SERIAL_CONTROL, которое содержит, собственно, текстовые данные для пересылки через виртуальную консоль и некоторые служебные флаги. Для вывода строк вместо Serial.printf введена глобальная функция print, которая выводит строку и в Serial, и в MAVLink.

Теперь можно выполнять все функции командной строки прямо с телефона или компьютера по Wi-Fi, включая калибровку датчиков, отображение логов, проверку моторов и прочее.

✅ Сделал возможность запуска прошивки на голой плате ESP32, без подключенной IMU (коммит в Flix, коммит в FlixPeriph). Теперь прошивка не будет останавливаться с ошибкой. Это позволит легко протестировать прошивку без сборки дрона — при запуске появится точка доступа Wi-Fi и будут доступны все основные функции: командная строка, подключение к QGroundControl, просмотр параметров.

Если у вас есть ESP32, можете попробовать залить на нее прошивку: все базовые функции должны заработать! Это упрощает использование прошивки в качестве основы для других проектов на ESP32.

Драфт принципиальной схемы моей будущей платы. Что есть в схеме:

⚡️ Микроконтроллер — ESP32-S3, а точнее, модуль ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 с 16 Мб флеша. Еще в этом модуле 8 Мб PSRAM-памяти — это дополнительная оперативная память, которая может быть полезна для приложений с компьютерным зрением и нейросетями.

⚡️ Питание: повышающе-понижающий стабилизатор напряжения TPS63021 на 3.3 В. Повышающий, потому что в полете Li-Po может просаживаться и ниже 3.3 В, что может привести (и приводит) к перезагрузкам ESP32.

⚡️ Инерциальный модуль: ICM-42688-P (без магнитометра). На текущий момент эта IMU является рекомендуемой InvenSense моделью для новых проектов. Также установлен барометр — более свежий BMP388 (вместо устаревшего BMP280), хотя в его необходимости я все еще не уверен.

⚡️ Для управления моторами я выбрал транзистор IRLML6344 (совет ChatGPT) с очень низким напряжением открытия. Есть вся необходимая обвязка: подтягивающий резистор и защитный диод. Я рассматривал вариант применения драйвера мотора DRV8833, но с ним как будто схема получается еще сложнее, поэтому пока остановился на транзисторе.

⚡️ Разъем для подключения камеры по интерфейсу DVP (камеры OV2640, OV3660 и другие). Этот интерфейс занимает кучу пинов МК, но я все же хочу попробовать позапускать какие-либо алгоритмы компьютерного зрения на МК параллельно с полетным кодом. Любопытно посмотреть, что из этого получится.

⚡️ Есть «гребенка», на нее выведены интерфейсы I²C, SPI, UART и несколько GPIO-пинов. Правда полноценный GPIO-пин остался только один, остальные параллельно используются для камеры. Камеру вроде бы можно подключить и по SPI, где гораздо меньше занимаемых пинов, но с этим я пока не доразобрался.

Еще в схеме есть RGB-светодиод, ридер SD-карт и цепь для измерения напряжения аккумулятора. Жду ваших комментариев! #pcb

Очень простой метод калибровки гироскопа

Я уже описывал принцип калибровки гироскопа в дроне — при запуске он усредняет данные с гироскопа в течение 1 секунды, чтобы получить значения смещений (bias). Однако, у такого подхода есть минусы: требуется неподвижность дрона во время запуска (не всегда обеспечивается); со временем bias может изменяться, и это не учтено.

Поэтому я внедрил очень простой и минималистичный метод динамической калибровки гироскопа. Калибровка происходит в фоне все время, что дрон находится на земле и неподвижен (переменная landed). Фактически, вся калибровка это простой low-pass-фильтр, который обновляет значения bias, когда дрон не летит:

static LowPassFilter<Vector> gyroCalibrationFilter(0.001);
gyroBias = gyroCalibrationFilter.update(gyro);

Коэффициент сглаживания α подобран экспериментально, чтобы bias достаточно быстро сходился, но и чтобы он не был слишком шумным. Для значения в 0.001, time constant (время, за которое фильтр сойдется на ⅔) составляет 1 секунду.

Перед активацией калибровки предусмотрена задержка в 2 секунды, чтобы не ловить шумы и пики, когда дрон только приземлился.

Полетные тесты показали, что с этим методом калибровки дрон очень хорошо держит yaw, а также ориентацию в целом. К энтузиастам, собравшим дрон: просьба накатить новую версию и сообщить о ваших результатах!

Наконец-то доделал новое демо-видео: https://youtu.be/hT46CZ1CgC4.
Использовал съемки полетов в Гимназии Примакова, множество пользовательских видео. Теперь это — официальное демо-видео для Flix версии 1.

Использование прерываний

Главный цикл моей прошивки работает с той же частотой, что и IMU, при помощи вызова блокирующего метода waitForData. Изначально этот метод использовал поллинг: то есть беспрерывно опрашивал IMU, пока не появлялись новые данные. Но это не оптимальный вариант — он бессмысленно «ест» процессорное время. Лучше использовать INT-пин IMU. Этот пин меняет состояние, когда в IMU появляются новые данные, а обработчик прерывания от пина должен разблокировать главный цикл.

Но как реализовать такой паттерн, но при этом сохранить простой дизайн в Arduino-стиле с главным циклом и функцией loop?

Для этого используются механизмы синхронизации, доступные в FreeRTOS, а конкретнее — нотификация или семафор. Нотификация может послать сигнал для разблокировки конкретной задаче. Семафор универсальнее (хотя чуть медленнее) — он может разблокировать любую задачу, которая ждет на данном семафоре.

Для использования семафора в функцию waitForData добавляется код для ожидания поднятия семафора:

xSemaphoreTake(semaphore, portMAX_DELAY);

А в функции-обработчике прерывания должен быть код, который поднимает семафор:

xSemaphoreGiveFromISR(semaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);

Именно так я и поменял способ работы функции waitForData в библиотеке FlixPeriph. Теперь она не использует процессор, а просто ждет прерывания.

Правда, все собранные на данный момент Flix (включая мой) не имеют подключенного INT-пина к какому-либо GPIO-пину МК. Поэтому для совместимости я сделал так, чтобы это прерывание могло также работать по обычному таймеру ESP32. Таймер конфигурируется на установленную частоту работы IMU.

Конечно, таймер ESP32 может немного рассинхронизироваться с таймером IMU, но как показала практика, на полет это не влияет. На видео выше дрон летает уже с этим изменением и видимых проблем не возникло.

Кроме того, я добавил в прошивку команду sys, которая выводит список задач FreeRTOS и процент использования CPU для каждой задачи. С помощью этой команды я увидел, что потребление CPU главным циклом (loopTask) сократилось со 100% до приблизительно 30%. В числе прочего, это может уменьшить энергопотребление и нагрев МК, а, возможно, и улучшить работу Wi-Fi.

Написал новую главу учебника. Начал с основ: подробно расписал про геометрические объекты, используемые в прошивке, — вектора и кватернионы. Причем с акцентом именно на практическом применении:

📖 quadcopter.dev/geometry.html.

В главе есть интерактивная 3D-визуализация, которая показывает, как работают различные представления ориентации в пространстве. Визуализация сделана на three.js и рендерится в SVG. В процессе ее создания получилось что-то вроде микро-фреймворка для создания векторных 3D-визуализаций.

Кстати, в мой учебник пришел первый донат. Спасибо! Обещаю потратить его на какие-нибудь детали для новых сборок.

За последнее время еще несколько дронов с моей прошивкой от читателей со всего мира увидели свет.

Подписчик @chkroko представил подробную статью о своей версии: https://telegra.ph/Flix-dron-06-13.

В статье не только подробно описана сборка и сделанные модификации, но и приведены ссылки на компоненты в маркетплейсах, которые многие просили (правда, не на все).

@chkroko добавил барометр BMP580 и мониторинг напряжения батареи и тока (с отображением в QGC!). Но, самое главное, он сделал управление дроном через Bluetooth ESP32 с использованием геймпада Flydigi Vader 3.

Именно для таких экспериментов я и проектировал прошивку: по его патчу можно увидеть, что добавление нового способа управления выглядит довольно прямолинейно и просто! #user

Добавил поддержку классического инерциального датчика MPU-6050.

Оказалось, что у очень многих в закромах лежит именно эта IMU, поэтому я постоянно получал вопросы про ее поддержку. Фактически, это был самый популярный вопрос в чатах и на ютубе.

Поэтому решил добавить ее поддержку в проект. За основу взял Arduino-библиотеку от ElectronicCats. Поддержка реализуется в библиотеке периферии для моего дрона — FlixPeriph (ее, кстати, можно использовать и отдельно).

Надо отметить, что MPU-6050 поддерживает только подключение по интерфейсу I2C, так что это не самый оптимальный вариант для использования (I2C медленный). Тем не менее, многие дроны используют этот интерфейс, так что летать должно. В полете я не тестировал, но алгоритм оценки ориентации Flix с ней работает нормально, частота 1000 Гц.

Кстати, это делает мою прошивку совместимой (в теории) с микро-дронами от Espressif — ESP-Drone, где стоит именно этот датчик. Про них тоже многие спрашивали.