Собираем свою Bluetooth машинку с управлением на Android
На последней сессии я как обычно тщательно готовился к экзаменам (то есть не знал, чем себя занять), и как по счастливой случайности, у меня образовалась радиоуправляемая машинка, большая и красивая, хотя и явно рассчитанная на детей. Поигравшись минут десять, я захотел ее модернизировать, а именно вместо неудобного джойстика с радиусом действия в 3 метра использовать коммуникатор с bluetooth. И удобнее, и дальность действия больше, и явно видны дальнейшие улучшения, о которых, как впрочем и о процессе прикручивания коммуникатора к детской машинке, и пойдет речь в данной статье.
Выбираем компоненты
В прошлом мы с приятелями написали собственную прошивку для роботов Lego Mindstorms NXT, поддерживающую удалённое управление роботом по bluetooth с Android-коммуникатора. Для экспериментов тогда была приобретена отладочная плата Olimex SAM7 с ARM7 на борту, которую в этот раз можно использовать в качестве управляющего контроллера.
В качестве шасси используем корпус игрушечной машинки.
Нужен bluetooth-модуль. Результат хотелось получить быстро, поэтому модуль был выбран из единственного доступного в магазине на тот момент BTM-112, хотя он оказался сравнительно дорогим.
Кроме того, оказалось, что управление с платы не может идти напрямую на моторы, нужен усиливающий контроллер (об этом чуть позже).
Соединяем bluetooth с управляющей платой
Для начала настроим доставку команд управляющему блоку. Схема соединения bluetooth-модуля и контроллера простая: по сути дела это UART с некоторыми управляющими ножками, то есть надо лишь присоединить модуль к интегрированному UART-контроллеру.
Удалённое управление
Как было обещано, удаленное управление осуществляется с помощью Android-коммуникатора.
Наше прошлое приложение для Android (которое управляло Lego Mindstorms NXT, тоже посредством bluetooth) с помощью акселерометра отслеживало наклон коммуникатора и посылало соответствующие команды управления на NXT. Так что наиболее простым решением стало добавление протокола управления машинкой в уже существующее приложение. Сам протокол достаточно примитивен: фиксированная длина команды, фиксированный заголовок, после чего управление по осям X и Y.
Итак, на данном этапе мы можем “порулить” нашей платкой, правда моторы пока не подключены, так что индикация движений производится встроенными светодиодами (видео, к сожалению, нет, в этот момент снял только фотку), но всё равно прогресс есть, он виден, и это греет душу.
Соединяем управляющую плату с моторами
Изначально я думал, что смогу использовать управление со старой платы (зашитой в саму машинку), но оказалось, что использовать её в чистом виде нельзя, поскольку управление моторами было крепко сцеплено с радиочастью. Управлять моторами напрямую с ног головного контроллера тоже не получится из-за малой выходной мощности микросхемы. К сожалению, опыта в этой области у меня нет никакого (все-таки я программист, а не схемотехник), поэтому пришлось прибегнуть к помощи знакомых. По совету я взял микросхему усилителя L298N (избыточную для моих нужд, зато работающую из коробки) и собрал референсную схему.
Напомню, препарируемая машинка детская, и управление у нее немного хромает; когда я начал разбираться с моторами, я понял одну из причин. Для механизма поворота используется не сервопривод, а обычный электродвигатель, который может находиться в одном из трех состояний (выкл., вперед и назад). Таким образом, о плавном повороте мечтать не приходится.
В общем, функционально схема простая, один мотор используется как двигатель, второй мотор — как руль (у него стоит блокиратор на определенном угле поворота).
Для управления каждым мотором нужно подать напряжение на соответствующие управляющие ноги (положительное или отрицательное напряжение либо нуль). Напряжение измеряется между двумя точками (входными ногами управления), то есть мне нужно подавать напряжения на пару управляющих ног как-то так:
| forward | reverse | off | ||
|---|---|---|---|---|
| PIN1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| PIN2 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Так как Android-приложение передает плавное управление, состояние моторов изменяется по преодолению заданного порога.
Код получился очень простой, я не буду приводить его здесь, но в конце поста есть ссылки на исходники всего проекта.
Рцборда, или Как Сделать Управляемую через Интернет Машинку
За последние несколько лет мне довелось сделать немало дистанционно управляемых устройств. Некоторые управлялись локально, с обычного ПК или со смартфона. Некоторые — через Интернет. Все устройства объединяет общий принцип — управляет ими человек, ориентируясь по картинке с видеокамеры на борту устройства. А само управление, в итоге, сводится к выдаче управляющих сигналов на сервомоторы или регуляторы (драйверы) моторов.
Так что, набравшись опыта в данном деле, решил попробовать более-менее систематизировать различные типы управления устройствами, чтоб при создании нового девайса не приходилось кучу всего переписывать, а достаточно было лишь изменить некоторые параметры конфигурации. В результате родился программный комплекс RCboard, или РЦборда. Т.к. все управляемые штуки я делаю с контролером Virt2real (Виртурилка) в качестве главного бортового мозга, то и рцборда изначально писалась именно под неё. Так что всю связку можно пафосно называть «Программно-аппаратный комплекс РЦборда».
В общем, в продолжении топика попробую написать рецепт про то как с помощью Виртурилки и РЦборды из обычной радиоуправляемой машинки сделать машинку, управляемую через Интернет (ну и локально она тоже будет управляться). Каналом связи будет обычный Wi-Fi (выход в инет через домашний роутер) или 4G связь через свисток Yota.
Краулер BSD Racing 4WD RTR 2.4Ghz 1:10 
Сразу уточню — под термином «радиоуправляемая машинка» я подразумеваю не дешёвые китайские машинки, в которых вся электроника реализована на одной плате, а более-менее приличные машинки, построенные по модульной схеме — которые имеют регулятор оборотов двигателя (коллекторного, бесколлекторного — неважно) и сервомашинку для управления поворотом передних колёс.
Такую машинку я приведу в качестве подопытного кролика лишь в этом рецепте, так как проще всего для повторения. С небольшими изменениями в настройках рцборды и добавлением платки-регулятора оборотов движка всё то же самое можно сделать и с любой машинкой, главное чтобы у машинки были колёса (да хоть гусеницы) и был моторчик.
Что понадобится для сборки
Но сначала, чтобы продемонстрировать некоторые варианты использования
Где это уже было использовано
Как я уже писал, рцборду мы уже много где использовали, но из задокументированных случаев нашёл только вот эти:
Испытания рцборды на багги в Шеньчжене, управление из Москвы
Испытания рцборды на краулере в Питере, управление из Москвы
Испытания рцборды на самолёте над Питером, управление из Москвы
Клёвый снегоуборщик под управлением рцборды
Кстати, сам снегоуборщик — разработка пермских ребят http://omiplow.ru
Самый тяжёлый девайс под управлением рцборды
Итак, подопытный кролик
Краулер для дистанционного управления хорош тем что он обладает очень высокой проходимостью.
У краулера полный привод, постоянная блокировка дифференциалов (все колёса крутятся одновременно) и постоянная «пониженная передача». Т.е. он ездит сравнительно медленно, но мощно и проходимо.
Настройка Виртурилки
Перед тем как собирать машинку, надо настроить Виртурилку. Сначала рассмотрим вариант с подключением по Wi-Fi.
Проверка подключения Виртурилки к сети
Общий принцип подключения моторов машинки
Обычно у RC машинки два мотора. Один обычный, коллекторный — крутит колёса. Второй — сервомотор, поворачивает передние колёса в нужную сторону. Т.е. получается что требуется всего два канала управления — газ и руль. Изначально (если машинка куплена в собранном виде) все каналы подключены к штатному радиоприёмнику трёхпиновыми разъёмами типа JR (стандартный серворазъём). Чёрный (или коричневый) провод — земля, красный — питание (5-6В), жёлтый (или белый, или оранжевый) — сигнальный провод.
Именно по сигнальному проводу мы и будем управлять моторами, но сначала надо подать питание на серву, которая рулит колёсами. Тут общий принцип такой — с бортового аккумулятора силовое питание с напряжением, равным напряжению аккумулятора, идёт по толстым проводам на мощный регулятор коллекторного (или бесколлекторного) мотора. Внутри этого регулятора есть так называемый BEC — преобразователь напряжения, делающий из различного аккумуляторного напряжения стабильные 5 Вольт (иногда 6В, можно выбирать перемычкой на регуляторе), требуемые для питания бортовых сервомашинок, приёмника и различной другой электроники. Это стабилизированное питание обычно рассчитано на нагрузку не более чем 2-3А, хотя это тоже зависит от модели регулятора.
Выходное напряжение BEC по чёрному и красному проводам тонкого трёхжильного шлейфа от регулятора подаётся на приёмник. Здесь таится главный нюанс, который не все сразу осмысливают. Повторюсь — от регулятора идёт кабель с тремя жилами. Из них две жилы это питание, которое выдаётся с регулятора, т.е. это выход. А третий провод (белый, жёлтый или оранжевый) — это провод управления, т.е. вход. Вроде мелочь, а почему-то многие путаются.
В приёмнике есть несколько групп трёхпиновых контактов. Их количество зависит от количества каналов, на которое приёмник рассчитан. У машинок обычно 2 или 3 канала, так что групп, соответственно, 3 или 4 (одна группа для установки перемычки Pair (сигнал на спаривание приёмника и передатчика). У этих групп контактов все пины питания замкнуты между собой, т.е. земля и питание приходят с регулятора и подаётся сразу на все группы контактов. А вот сигнальные пины все независимые, на них выдаётся сигнал, принятый приёмником с радиоаппаратуры управления.
Должно получиться примерно такое подключение
Если под рукой есть сервоудлинители — удобно сделать подключение с их помощью. У меня с ними вечный напряг, так что я просто обрезаю проводки и кручиваю-спаиваю.
И да, самое главное — питание на Виртурилку подаём прямо с контактов аккумулятора. Ей нестрашно напряжение вплоть до 20В, так что чем выше напряжение — тем лучше, ток меньший будет потреблять. КПД преобразователя питания (SEPIC, установлен на самой Виртурилке) падает только после 15В, так что идеальное питание — от 12 до 15 В, при этом в полной нагрузке (с вифи) Виртурилка будет потреблять около 150-300 мА. Хотя это тоже зависит от свистка (свисток Yota шибко прожорливый, с ним будет поболее).
Сборка машинки
Я попробовал заснять видео процесса сборки моего краулера. Не знаю, насколько там всё понятно, но лишним, думаю, не будет. Вот видеоролик про сборку:
Настройка сервера рцборды
Все настройки рцборды можно редактировать в специальной панели управления рцбордой (не путать с админкой Виртурилки). Вот так сейчас выглядит панель управления рцборды (первая версия)
Во вкладке «Общие настройки» можно задать имя устройства (отображается при обнаружении девайса в приложениях), указать надо ли запускать сервер рцборды автоматически при загрузке Виртурилки, задать тип конфигурации.
Конфигурация может быть локальная (т.е. файл конфигурации постоянно находится в каталоге рцборды и доступен для редактирования в панели управления), а может быть удалённая, когда файл конфигурации скачивается при каждом запуске рцборды с веб-сервера.
Сервер удалённых конфигов, по дефолту, http://rc.virt2real.ru/getconfig, создавать и редактировать конфигурации там разрешено только зарегистрированным пользователям форума forum.virt2real.ru
В топике я расскажу лишь про локальную конфигурацию, удалённую сами можете попробовать, если кому интересно. К слову, когда я катался на машинке по Шеньчженю (видео в конце топика), то как раз удалённый конфиг использовал, чтобы можно было менять настройки. Изменение настроек из приложения есть пока в виде набросков, толком ещё не работает, но даже когда и доделаю — удалённый конфиг всё равно пригодится.
Итак, больше всего нас сейчас интересует вкладка «Локальная конфигурация». Вообще, дефолтный конфиг уже настраивает рцборду в режим сервера, можно подключать машинку и управлять локально (в локальной сети, с виндового приложения, с андроидного или с айфонно-айпадного). Разве что может потребоваться каналы поменять местами. А вот для режима P2P (peer-to-peer), для управления через Интернет, настройки придётся менять.
По умолчанию за всё управление отвечает библиотека universal.so, параметры для которой находятся в конце конфига, в разделе «[universal]».
Соответствие каналов управления и каналов PWM/PPM задаётся параметром axis.
По дефолту настроено 4 канала PPM, которые находятся на пинах CON43, CON44, CON19, CON42. За это отвечают вот эти строчки конфига
ch0=43,ppm,500,1500,2500,127,0
ch1=44,ppm,500,1500,2500,127,0
ch2=19,ppm,500,1500,2500,127,1
ch3=42,ppm,500,1500,2500,127,1
Формат настройки канала такой:
chX=CON,TYPE,MIN,CENTER,MAX,NEUTRAL,NOAUTOCENTER
Где
X — номер канала PWM/PPM, от 0 до 3
CON — номер пина (не GPIO, а именно пина, см. схему)
TYPE — тип сигнала, ppm или pwm. Для машинки нужно ppm, для типа pwm другой формат строки конфига.
MIN — минимальное положение PPM сигнала, в миллисекундах.
MAX — максимальное положение PPM сигнала, в миллисекундах.
CENTER — центральное положение PPM сигнала, в миллисекундах.
NEUTRAL — относительное значение нейтрали, т.е. нейтральное значение команд управления. Обычно = 127
NOAUTOCENTER — если = 0 — автоматически возвращать сигнал в центральное положение, = 1 — не возвращать. Для каналов газа и руля машинки нужно указать 0, для каналов сервоприводов, которые используются для вращения камеры обзора — нужно указать 1 (если такие есть, конечно)
Если на машинке стоят фары, можно сделать их включение-выключение, потребуется собрать простейший усилитель транзисторный (один полевой транзистор, по сути). Для получения управляющего сигнала используется параметр «pins». Он задаёт пины, которые будут устанавливаться в 0 или 1 при нажатии кнопки в Virt2real Player (на экранных кнопках, на клавиатуре, мышкой или на геймпаде).
Формат такой:
pins=CHANNEL,CON,DEFVALUE,SAVESTATE|.
где
CHANNEL — канал кнопки (от 1 до 32)
CON — номер пина, который требуется установить в 0 или 1 по приходу команды управления с кнопок
DEFVALUE — значение, в которое данный пин будет установлен при запуске рцборды
SAVESTATE — если = 0 — при нажатии кнопки пин установить в 1, при отпускании — установить в 0. Если = 1 — при нажатии кнопки пин установить в 1, при отпускании кнопки ничего не делать. При следующем нажатии кнопки пин установить в 0, при отпускании — снова ничего не делать. И так в цикле.
Каналы кнопок можно указывать подряд, через разделитель «|».
Краткий вывод из этой смутной информации — если у вас перепутаны каналы газа и руля — можно их поменять местами, изменив параметр axis на axis=1,0,2,3 🙂
Если нужно ограничить крайнее положение сервы руля — меняем значения MIN и MAX для нужного канала. Если машинка при нейтральном положении едет вперёд или назад — изменить значение CENTER для нужного канала.
Дополнительные модули
Во вкладке «Дополнительные модули» находится список активных и неактивных модулей рцборды.
Модуль — это отдельное приложение (исполняемый бинарник), которое обычно выступает в качестве источника телеметрии. Активные модули — это те, которые запускаются автоматически при старте рцборды и завершаются при завершении её работы. В панели управления можно перемещать модули из одного столбца в другой, нажатием на оранжевую стрелочку. При перемещении в колонку активных — модуль сразу запускается, неважно, запущена рцборда или нет. При перемещении в неактивные — модуль автоматически прекращает работу.
Модули работают просто — читают требуемые параметры и по UDP отправляют на локальный порт (ext_telemetry), указанный в конфиге. А там уже рцборда принимает инфу и передаёт по каналу телеметрии в приложение Virt2real Player. Одновременно с этим та же информация передаётся в пользовательскую библиотеку девайса (в нашем случае это universal.so), чтоб приложение могло анализировать информацию и использовать по своему назначению. Например, у меня была библиотека девайса под названием autobot.so — управляемая тележка, которая помимо управления пользователем могла ещё и автономно ездить, ориентируясь по сигналу с ультразвукового дальномера.
Из основных модулей — statuswifi поставляет в рцборду информацию о статусе вайфай линка. Airosstatus.php (да, модуль можно и на похапе писать) — читает статус линка с оборудования Ubiquity, gps — читает GPS приёмник. Модуль imu обрабатывает инфу с инерциальных датчиков (углы Эйлера формирует, азимут и компас), правда он пока работает только с одним типом датчиков, так что для универсального использования ещё не годится. Nfc — читает NFC метки, но тоже работает только с одним типом ридеров. rc.in — читает PPM сигналы с RC приёмника, т.е. машинкой можно ещё и с обычной аппы управлять, у неё приоритет перед командами управления через вайфай. rfid — читает метки RFID. statusyota — читает статус линка 4G модема Yota. usrange — читает показания ультразвуковых дальномеров. voltage — определяет напряжение питания борта, требуется простенький делитель напряжения (2 резистора) подключить к ADC0. В общем, интересных модулей куча, по каждому предстоит подробное описание делать, так что пока считаем что я упомянул их для затравки 🙂
Для нашего рецепта управляемой машинки актуален модуль statuswifi — если настраиваем подключение через Wi-Fi или statusyota — если подключаем Виртурилку через свисток Yota.
Настройка приложений
В Андроидном и айпадно-айфонном приложениях настройки несложные, заключаются лишь в выборе каналов управления. В Андроидном есть ещё выбор канала кнопок (по умолчанию канал не задан, кнопки не отображаются). А вот в виндовом приложении я столько фич накрутил, что сам прихожу в состояние лёгкой паники при осознании того что всё это задокументировать надо. Пока могу только дать ссылочку на описание прошлой версии приложения
http://wiki.virt2real.ru/wiki/Как_сделать_управляемую_тележку_2
http://wiki.virt2real.ru/wiki/RCboard
Протокол управления с тех пор заметно видоизменился, но вот настройка виндового приложения поменялась несильно, так что может помочь при ковырянии. А подробное описание текущей версии постараюсь написать в следующем году 🙂
Кстати, в самой ранней версии для передачи телеметрии я использовал протокол MAVLINK, но по мере обрастания фичами его стало не хватать, так что перешёл на свой протокол. А MAVLINK подумываю добавить в качестве параллельного канала телеметрии, но это уже в следующей версии приложения.
Скажу лишь одно — лучше всего машинкой управлять с USB руля и педалей, подключённых к компу. Ну или хотя бы с RC аппы, подключённой тренерским разъёмом к компу. А пальцами по экрану смартфона может быть и круто, но нифига не удобно без тактильных ощущений.
А теперь самое главное — управление через Интернет
Вводная информация про P2P режим
Так как для канала управления и для канала видео используется UDP — так и хотелось сделать полноценный P2P (Peer-to-peer) линк, чтоб не гонять видео от борта до сервера и обратно до клиента. Ну, раз хотелось — взял и сделал 🙂 Фактически, получился простой и лёгкий аналог адобовского RTMFP (не путать с RTMP). Только вот передачу звука добавить никак руки не дойдут, так что рцборда пока немая и глухая.
С UDP какая основная проблема — преодоление NAT. Так как на одном из концов линка (на передающей стороне или на приёмной) обязательно есть NAT — просто указать адрес и порт сервера (или клиента) не получится — NAT помешает. В виндовом Virt2real Player есть возможность с помощью UPnP сделать проброс порта, но это не совсем то чего я хотел. А то что хотел — получилось только после вдумчивого курения технологии UDP Hole Punching. В итоге всё получилось как надо — неважно, какой роутер, неважно где клиент или сервер. Главное чтоб был выход в Интернет. Хотя вру, есть один единственный тип NAT, который пробить пока не удалось. Всё время забываю как он правильно называется, вроде бы симметричный NAT.
И да, обычные TURN и STUN серверы в рцборде не используются, только своя реализация. Как я обычно говорю: хочешь изучить технологию — сделай по своему, а потом сравни с общепринятыми решениями. Любители велосипедов меня поймут. Однако часто оказывается что велосипед не так уж плох и свои задачи выполняет лучше чем общепринятые решения.
Это так, лёгкий оффтоп был. Продолжаем про NAT. Поддержка P2P есть пока только в виндовом приложении Virt2real Player, в андроидное и айфонно-айпадное ещё не добавлял. Проверял работу с коннектом через свисток Yota, через свисток Beeline 4G, через точку доступа на смартфоне, который в инет выходил тоже через Beeline 4G. Во всех этих случаях всё работает, но заметил что идеально только через Yota. Через билайн (в любом из опробованных видах) тоже работает, но коннект дольше времени занимает. Почему так происходит — пока не разбирался. Из печального — пока не удалось заставить работать линк (и команд, и видео) когда и клиент и сервер подключены через 4G свистки. Возможно, тут как раз симметричный NAT и подкрался.
Настройка P2P режима, на борту стоит Wi-Fi
К Виртурилке на борту машинки подключён свисток Wi-Fi (т.е. как делали до сих пор по инструкции из этого топика). Только сначала мы управляли машинкой локально, а теперь сможем дать кому-нибудь порулить из Инета.
Для включения p2p режима идём веб-панель управления рцборды, раздел «Локальные настройки». Там устанавливаем параметр
Теперь необходимо задать параметры p2p_uid и p2p_hash. Это эдакий аналог логина-пароля, но полноценной авторизации пока нет (но будет обязательно), так что используем именно такую связку. p2p_uid лучше брать из своей учётки на rc.virt2real.ru/remoteconfig там он называется «ID пользователя», тогда будет механизм инвайтов работать (об этом чуть ниже). А p2p_hash надо придумать самостоятельно. Любой набор символов, максимальная длина 40 символов.
Всё, на этом настройка p2p режима рцборды закончена. Необходимо убедиться что Виртурилка имеет выход в инет и можно запускать Virt2real Player виндовый. Если его запустить в локальной сети, там же где и рцборда — плеер обнаружит локальную рцборду (неважно что она в p2p режиме) и можно будет подключиться напрямую. А вот если плеер запускается в другой сети, надо настроить его на p2p режим.
Иногда бывает что сообщения не появляются, тогда лучше просто перезапустить плеер (мой косяк, не отловил его ещё), при запуске он сам сразу начнём коннектиться с теми параметрами, которые мы ему задали, т.е. в режиме P2P.
Из замеченных нюансов — если плеер запускаем на компе, который выходит в инет через Yota — коннект быстро устанавливается. Само собой, если у Йоты сигнал нормальный. А вот если через роутер Yota или 4G свисток от Билайна — первое подключение может длиться до минуты. Но зато все последующие почти мгновенно будут. Я примерно знаю, где я накосячил, но исправить пока руки не дошли.
Настройка P2P режима, на борту стоит Yota
К micro-USB порту Виртурилки на борту машинки подключаем свисток Yota (через переходник USB-OTG, само собой). Те свистки, которые сейчас в продаже у Yota
В остальном всё аналогично предыдущему пункту. Разве что в настройках рцборды в разделе «Дополнительные модули» хорошо бы убрать из активных скриптов модуль statuswifi и наоборот, поместить в активные скрипты модуль statusyota, для того чтоб в плеере видеть параметры сигнала Yota.
Иллюстрации различных типов коннекта
К сожалению, дома у меня Yota еле-еле фурычит, так что полноценно не покатаешься. А вот Билайновский 4G отлично работает, поток 3 мегабита (и входящий, и исходящий) пролазит без проблем.
Во всех нижеприведённых экспериментах все настройки одинаковые, меняется лишь вид связи.