Начало учебника и смена концепции

Как вы знаете, этот проект затевался, как проект по созданию учебника по разработке полетного контроллера квадрокоптера. И сегодня я, наконец, публикую первую версию сайта с учебником и одну из его глав, которая описывает работу с гироскопом:

📖 quadcopter.dev/gyro.html.

Можно сказать, что это проба пера, так что жду ваших комментариев! Контент учебника хранится в основном репозитории, так что любой желающий может прислать pull request с исправлениями и дополнениями.

Вместе с этим, я хочу немного сменить концепцию проекта. У прошивки Flix уже появилось несколько реальных пользователей, и еще больше людей начали собирать дрон на ее основе. Руководствуясь полученной обратной связью, я решил разделить прошивку на две версии.

1️⃣ Текущая версия кода Flix станет иллюстрацией к учебнику. Код в ней будет ориентирован на минимализм и ограниченную функциональность. Эта версия кода будет называться «каноничной» и будет находиться в ветке canonical.

2️⃣ В основной же ветке будет разрабатываться новая, «фичная» версия. Она будет основана на каноничной версии, продолжит использовать Arduino и в ней будет та же базовая архитектура, но у нее не будет такого жесткого ограничения на сложность и объем кода. В нее я буду добавлять востребованные фичи, например, хранение параметров во флеше, более полную поддержку MAVLink, удержание позиции и другие. То есть фичный Flix должен стать лаконичным, но полнофункциональным полетным контроллером.

В итоге, используя учебник и каноничный код, любой желающий сможет разобраться в принципах работы полетного контроллера, а затем вникнуть в актуальную версию Flix и модифицировать ее. При этом обе версии останутся совместимыми друг с другом, то есть они будут работать на одном и том же железе.

Подсистема параметров

Я добавил в прошивку Flix подсистему параметров, которая хранит их во флеш-памяти (а не в коде).

Как и все в моей прошивке, эта подсистема реализована в минималистическом стиле. В переменной parameters хранится список названий параметров и указателей на соответствующие переменные в памяти. При запуске прошивки эти переменные инициализируются значениями из флеша. Если по ходу работы какой-то параметр меняется, он автоматически сохраняется во флеш. За это отвечают функции setupParameters() и flushParameters() (upd: переименовано в syncParameters()).

Для работы с флешем используется стандартная библиотека Preferences. Это удобная обертка над NVS (non-volatile storage) — специальной областью флеша в ESP32, выделенной для хранения настроек программы. А чтобы все это работало и в симуляции, я реализовал такую же библиотеку Preferences.h, но с обычным текстовым файлом в качестве хранилища. В итоге код и поведение параметров в симуляторе практически ничем не отличается от реального дрона.

Учтены две основные проблемы с флешем:

⚠️ Запись во флеш медленная: она может занять до нескольких миллисекунд. Блокировка цикла управления полетом на такое время не желательна, поэтому flushParameters() срабатывает, только когда моторы не активны. При изменении параметров в полете (а это вполне возможно), сохранение будет отложено до приземления.

⚠️ У флеша ограниченное количество циклов перезаписи. Поэтому функция flushParameters() проверяет параметры только раз в секунду, на случай, если они вдруг начнут меняться слишком часто.

Кроме того, параметры полностью поддержаны в MAVLink — то есть с ними можно полноценно работать через QGroundControl, просматривать и изменять. Для этого добавляется поддержка сообщений PARAM_REQUEST_LIST, PARAM_REQUEST_READ и PARAM_SET.

Запись параметров во флеш и поддержка MAVLink сильно улучшает user-experience при использовании прошивки. Особенно, в процессе калибровки IMU и пульта управления — менять и пересобирать код теперь для этого не нужно.

С наступающим новым годом!🎄

В этом году была написана очень удачная статья на Хабре, канал набрал 1000 подписчиков, в прошивку добавлено много чего нового, у Flix появились реальные пользователи и была опубликована первая глава учебника.

Лучшие посты 2024-го года:

• Сборка и полет второй версии дрона.
• Зарегистрирован домен quadcopter.dev.
• Полет кверх ногами.
• Раннее видео на 1000 подписчиков.
• Подбор MOSFET-транзистора.
• Реализация Fail-Safe.
• Анализ полетных логов.
• Описание архитектуры симулятора.
• Управление с телефона.
• Выполнение флипа.
• Как работает калибровка IMU.

Спасибо за подписку на канал и за ваш фидбэк. В будущем году будет интересно!

Обновления

▶️ Многие спрашивали про возможность использования ESC и бесколлекторных моторов с Flix. Я вернул поддержку ESC в motors.ino. Для их использования нужно установить соответствующие значения PWM_PIN, PWM_MAX (например, 1000 и 2000 мкс) и PWM_STOP (остановка мотора, на некоторых ESC будет отличаться от PWM_PIN). Также необходимо снизить частоту ШИМ — PWM_FREQUENCY, чтобы нужная ширина импульса «влезала» в эту частоту. Например, при значении PMW_MAX в 2000, частота должна быть около 400 Гц.

▶️ Я увеличил разрешение ШИМ для моторов с 8 бит (256 значений) до 12 (4096 значений). Повлияло ли это как-то на полет — сказать сложно, но раз уж ESP32 позволяет, то почему бы и нет.

▶️ Параметризованы максимальные углы наклона полета и максимальная угловая скорость. Теперь их можно настраивать через QGroundControl в реальном времени.

▶️ Много упрощений и оптимизаций кода. Например, для вращения кватерниона теперь используется метод rotate вместо оператора умножения, благодаря чему код подсистемы оценки ориентации становится совсем уж простым и тривиальным.

🚀 Подписчик @peter_ukhov доделал и опубликовал полную схему актуальной версии Flix. Кроме того, по этой же ссылке доступна схема его собственной модификации дрона с ERLS-приемником. Теперь для сборки актуальной версии в дополнение к текстовому описанию в readme можно использовать и наглядную схему!

В чате задали вопрос про допустимость хранения величин, с которым оперирует прошивка, в переменных типа float (вместо double).

Вообще, на вопрос о выборе типа переменной с плавающей точкой хорошо отвечает прикрепленная таблица (источник).

Как известно, числа с плавающей точкой хранятся в экспоненциальной форме, а это значит, что они теряют точность при увеличении значения. Таблица показывает, как разрешение каждого из типов (half, float и double) зависит от значения хранимого числа. Так, для чисел больше 8388608, разрешение float уже падает до единицы, то есть тип фактически становится целочисленным.

В случае нашей прошивки, углы, угловые и линейные скорости, расстояния и пр. обычно имеют «человеческий» масштаб — находятся в пределах 1000. Для таких величин разрешения float более, чем достаточно — ~0.00006 в худшем случае.

Другая ситуация может возникнуть с большими значениями. Например — время с момента запуска прошивки (переменная t).

Значение dt, которое рассчитывается из t, при рабочей частоте в 1000 Гц будет плавать вокруг 0.001. Из таблицы видно, что при t > 1024 сек (17 мин), разрешение float уже достигает 0.0001 — всего на порядок меньше нашего dt. Это уже можно назвать «пограничьем» допустимого. А 17 минут — это вполне реальное время работы прошивки.

Поэтому я изменил тип переменной времени с float на double. В прошивке мало операций с абсолютным временим, так что на быстродействие это не повлияет.

Кстати, аналогичная ситуация в робототехнике возникает с глобальными координатами (широта и долгота).

Расскажу, как именно я сломал предыдущую раму, и что я поменял в связи с этим в коде.

В некоторых случаях QGroundControl может дать дрону команду на полный газ сразу же при подключении. Это может произойти, если внешний пульт не откалиброван, или если вы развернете окно QGroundControl, в котором виртуальный стик газа был не на нуле, или еще бог знает по каким внутренним причинам. В этом случае моя прошивка, естественно, сразу же переводила дрон в состояние armed и отправляла его в небеса (или в стену).

Тут становится понятно, зачем в большинстве полетных прошивок предусмотрен механизм для арминга, когда стик газа необходимо подержать в нижнем (правом) положении. Это позволяет гарантировать, что дрон внезапно не полетит сразу же после включения, и что пульт откалиброван (как минимум у пилота точно есть возможность дать нулевой газ).

Моя прошивка минималистическая, и такой механизм арминга я решил пока не вводить. Вместо этого я добавил fail-safe с таким условием: дрон не должен лететь, если он получает команду газа без предшествующей команды нулевого газа.

Это условие добавлено в файл failsafe.ino в виде функции armingFailsafe(). Она запоминает момент времени, когда последний раз был получен нулевой газ, и не дает перевести дрон в armed, если с этого момента прошло более 0.1 с.

Это делает прошивку намного безопаснее: внезапный полный газ при подключении QGroundControl или пульта с поднятым стиком газа почти гарантированно приводит к «крэшу».

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