[QCopter] 從零開始做四軸 (二) - 相關資訊

在說原理之前，要先了解知道四個螺旋槳的飛行器的中文、英文名稱，有助於找資料或文獻，中文說法大致有這些，四旋翼、四旋翼飛行器、四軸飛行器甚至是四軸，英文的話則是 Quadcopter、Quadrotor、Quadrocopter、Quadrotor Helicopter ...等等，可以 Vertical Take-Off and Landing（VTOL）的旋翼飛行器，其實就只是在強調有四個螺旋槳的直升機而已。

從 Wikipedia - Quadcopter 上看到，最初的四軸飛行器是在 1907 由 Louis Breguet 設計的（天知道是真是假，有興趣自己去考證吧），假設訊息無誤的話，到現在也有百年的歷史了。

近十年的四軸飛行器發展迅速成長，個人認為很大部分都歸功於微機電（MEMS）與積體電路製程技術的提升，從原本高成本、大體積的感測器變成幾微米、低成本的 IC，使得飛行器體積縮小、造價降低，才得以廣泛研究。（此部分為個人想法，若有誤可以提出來）

第一次看到四軸相關的研究是 2012 年 Vijay Kumar 教授在 TED 上的演說，也是我開始做四軸的時候，Vijay Kumar 教授任教於美國的賓州大學，他的實驗室也做了很多有趣的東西。

Vijay Kumar 教授：http://www.kumarrobotics.org/

GRASP 實驗室：https://www.grasp.upenn.edu/

TED 影片：Vijay Kumar: Robots that fly ... and cooperate

相關研究影片：https://www.youtube.com/watch?v=TjQPHprBTPs

與 Lexus 合作的影片

Amazing in Motion - 'Swarm'　https://www.youtube.com/watch?v=5ofbd05pKuA

幕後花絮

Swarm: 'Coding Motion'　https://www.youtube.com/watch?v=X9SqJk5zSZM

Swarm : 'Crafting Motion'　https://www.youtube.com/watch?v=noyXqbqYyJo

Swarm : 'Living Motion'　https://www.youtube.com/watch?v=H9x_tnvPrqk

之後也有另一位教授在 TED 上演講四軸飛行器，任職於瑞士蘇黎世聯邦理工的 Raffaello D'Andrea 教授，不過知名度似乎是這位教授較高，可能觀眾靠的比較近印象比較深刻吧... 哈哈。

FMA 實驗室：http://flyingmachinearena.org/

TED 影片：https://www.youtube.com/watch?v=w2itwFJCgFQ

也有與太陽馬戲團合作的影片，感覺這種合作方式頗不錯的，可以增加資金、增加研究內容、同時也增加知名度。

SPARKED: A Live Interaction Between Humans and Quadcopters

https://www.youtube.com/watch?v=6C8OJsHfmpI

幕後花絮　SPARKED: Behind the Technology

https://www.youtube.com/watch?v=7YqUocVcyrE

Raffaello D'Andrea 教授也做了很多有趣的專案，其中印象最深刻的是叫 Cubli 的專案，透過角動量平衡，這種技術在很多機器人平衡上都會用到。

http://raffaello.name/projects/cubli/

還有很多影片沒有放上來，因為真的是太多了，只放舊一點的影片，有興趣可以自己找找，最後，看了這麼多，其實只是想說明，四軸不是只能拿來空拍而已...，兩間頂級大學的研究室研究的東西真的很好，值得學習，想研究相關方向的人，可以多看兩間實驗室所發表的學術論文，畢竟已經累積了幾十年的成果。

＂從零開始做四軸＂除了是記錄自己的過程，方便自己再查閱，同時也提供分享給想研究四軸的人、想自己做一台而不是裝一台四軸的 Maker，這裡的 Maker 指的是了解電路、焊接、寫微控制器等多領域的人，畢竟一台四軸飛行器是跨了許多領域的結晶，像是控制、電子電路、數位邏輯、程式語言、機構、數學、物理、運動學 ... 等等，已經數不勝數了，還有最重要的＂藝術＂！沒錯，就是藝術！

以下有幾個 Github 上不錯的開源專案：

使用空心杯馬達（微型四軸）

https://github.com/bitcraze

https://github.com/HexAirbot

使用無刷馬達

https://github.com/PX4

https://github.com/pixhawk

https://github.com/multiwii

https://github.com/TauLabs

https://github.com/paparazzi

https://github.com/openpilot

https://github.com/diydrones

https://github.com/cleanflight

https://github.com/UrsusPilot

值得參考的資訊：

Build A Quadcopter From Scratch – Hardware Overview

http://blog.oscarliang.net/build-a-quadcopter-beginners-tutorial-1/

上一篇→從零開始做四軸 (一) - 構想

下一篇→從零開始做四軸 (三) - 運動原理

[QCopter] 從零開始做四軸 (一) - 構想

說是從零開始做四軸其實也不太算，因為之前已經做過，

很久了，對四軸的最初印象是在寶萊塢電影＂三個傻瓜＂裡，但有想做的想法應該是2011年(大二下)時，在自控社辦跟其他朋友討論比賽可以拿甚麼作品參加，當時打算做一個可以作室內規劃路徑與空間定位的四軸，不過說歸說，比賽也沒參加，最後自己也跑去玩 FPGA、學計組，忘記甚麼原因，2012年(大三下)打算跨系參加電機系的專題競賽，就把這個想法再搬出來，最後實作一年的結果離一開始預期的功能相當遙遠，但在物理系背景下，看了不少書與不斷 try & error 的調 PID，一年內還是可以做出一台免強平衡的四軸，

之前做的四軸，詳細可以參考下面連結
→GitHub Quadcopter
→[QCopter] 自製四軸飛行器

從陽春的洞洞板做起，自己設計電路、焊接、驅動、通訊、姿態算法、平衡控制，到之後把洞洞版本的飛控板、遙控器設計成 PCB 版本送廠打樣，不斷的改版，不斷的更新，當時就有想做一台全部自己設計的四軸飛行器，從最基本的機構、算法到電調、飛控、遙控器等（馬達、電池、螺旋槳就算了），一台全部開源、適合做研究、學習、實現演算法的四軸飛行器 QCopter。

最初的構想是以小型四軸加上無刷馬達為主，而且馬達、螺旋槳需要取得容易，所以設計了一台 160mm 軸距的四軸，雖然設計圖畫好，但口袋一直空空，一直沒有試過... 畢竟買一個商品價格跟開發一個的成本是天差地遠。

雖然到現在已經過了快兩年了，不過一個人要做完全部還是需要不少時間的，可能幾年後才有機會面市吧... 哈哈，反正先把之前與現在的構想紀錄下來，一步一步的實現。

以研究與學習方面，以下幾點是設計的考量：

• 硬體、軟體、基本演算法必須開源，方便模仿、學習、修改、重製。
• 製作成本與門檻盡量低，以具備基本手做能力與開發能力的對象為主。
• 一個高效能、資源豐富的控制器對實現演算法的可能性與種類有很大的幫助。
• 飛行器先以小型、室內為主，減少危險以及增加開發、實驗方便性（坐著也可以開發）。
• 容易擴充、新增硬體、應用，畢竟研究、學習也是要跟上時代的。
• 演算法相關的有數學流程與軟體模擬更好。

下面是 QCopter 預計要實現的部分，目前先以飛行器和遙控器這兩部分為主。

飛行器部分：

打算以 200mm 軸距與 5-inch 的槳為主，與之前設計大了些，但相對的負載也增加了，在飛行器底下預留相機腳架的接口，方便連接攝影用萬向雲台，使在調整參數與測試時的難度減少、便利性增加，另外會設計一個 2 維的雲台來固定 QCopterMV。

飛控板 QCopterFC

實現運動、平衡方面的演算法，最重要的核心裝置，上面裝載 SmartIMU 與 SmartBLE，SmartBLE 尚未設計，天線與功率放大部分尚在實驗，預計以 nRF51 或 nRF52 系列做為主控器，主要用來做 BLE 或 2.4G 傳輸，目前預計透過 CAN Bus 來做為 QCopterESC 與 QCopterPM 之間的溝通方法，但沒用過 CAN Bus 所以可行性還未知。

電子調速器 QCopterESC

驅動無刷馬達的裝置，預計採用 Field Oriented Control (FOC) 技術，透過採樣電流來找出轉子位置做控制，並且可以回授轉速、電流、溫度等資訊到 QCopterFC 和 QCopterPM 上面，基本功能都有完成的話，再加入自適應控制，可以自動補償電機參數。

電源管理 QCopterPM

飛行器的電源管理裝置，除了管理、監控與檢測飛行器上的電池電量、用量、電流與狀況外，也打算具備無線充電的功能。

機械視覺 QCopterMV

實現影像處理的裝置，預計採用 MT9V034 攝像頭，具有灰階與彩色兩種版本，可以針對不同的處理需求做替換，實現光流、特徵辨識等演算法。

遙控器部分：

遙控器 QCopterRC

遙控飛行器的裝置，最重要的是具有螢幕，可以直接將飛行器上回傳的資料顯示出來，遙控器上打算加入加速度計與陀螺儀，用來實現體感控制。

地面站：

地面站 QCopterGS

這部分偏向室外的應用，室內的部分預計以矩陣燈搭配影像處理為主（如下述的應用），其實在想室內的部分要不要分出來，畢竟不太像地面站。

目前有幾個想實現的四軸應用：

空間定位

這是最一開始想做的，可靠的實現方法都是加載高速攝影機，但這缺點就是照價高，自己打算以低成本的 IMU / RSSI 方案來實現飛行器的空間定位，因為室內定位也是自己的研究的題目，所以這部分已算是進行中了，整個最大的難點應該是飛行器產生的噪音與干擾，誤差若可以在限制在 30cm 內覺得就很不錯了。

飛行器間通訊

之前過一篇透過聲波傳遞訊息的病毒 badBIOS (詳細文章)，除了RF，聲波確實是一個非常有效的交換訊息方法，每天都在說話，每天都在用嘴巴和耳朵傳遞與接收訊息，但在飛行器上自己卻常常忽略，若是飛行器有聽與說的能力，那在協同合作方面的肯定會有許多應用。

最直覺的想法是喇叭和麥克風，喇叭依照想傳遞的範圍傳出不同頻率與振幅的訊號來夾帶資料，若只要濾除螺旋槳聲，整體難度應該不大，但真的想做看看的是自己的指導教授隨口講的一個想法，透過螺旋槳或馬達轉速來發出不同頻率的聲音，跟電調讓無刷發聲的概念類似，若資訊量不大應該是不會影響到平衡和飛行，而且也可以有效的減少成本。

飛行器導引

這是之前參加比賽所想的一個慨念，最初的想法是結合GPS在不同的塔台間自動的移動與起降，主要是為了降低和解決飛行器續航力不足的問題，塔台透過矩陣燈與飛行器上的機械視覺來實現起降定位的功能，不過之後想到了一個延伸的有趣應用，一組矩陣燈可以用來傳遞訊息給飛行器，實現上下運動甚至空翻的指令，若多組的矩陣燈，就可以讓飛行器前後左右移動，或許意義不大，但在室內展示上卻有不錯的視覺效果，藉由電腦來控制矩陣燈圖案，就可以讓飛行器依自己想走的路徑運動或是做出特定動作。

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[C語言] 在 Windows 上透過 C 語言實現 RS232 接收和發射

最近單晶片需要用到 IAP 的功能（可以參考基於 STM32 的 IAP 程式更新），不過之前電腦端是透過自己寫 Python 實現 .bin 檔案的傳輸，有時候重灌電腦後 Python 就被刪掉了，之後後還要再找符合相對應版本的 pySerial，蠻麻煩的，所以就想說直接用 C 語言來取代之前寫的 Python 功能。

STEP 1

先下載 RS232 for Windows Librery → http://www.teuniz.net/RS-232/

將 RS-232.tar.gz 解壓縮，只需要 rs232.c 和 rs232.h 即可。

STEP 2

建立一個 C 語言的專案，來撰寫程式，個人是使用 Code::Blocks

http://www.codeblocks.org/

選擇 Empty project 即可

新增一個 .c 檔，存在專案目錄下，
我是命名成 main.c，然後加入 main.c, rs232.c rs232.h 到專案。

在 main 裡面加入 #include "rs232.h" 後，就可以使用 rs232 library 的功能了

STEP 3

下面程式是 main.c 裡面寫的內容，做簡單的字串接收並顯示出來，
另一端用自己設計的開發板 RedBeanSprout 實現，一直發送 5 個不同的字串到電腦。

#include "rs232.h"

#define RECV_BUF_SIZE 5

int main()
{
    int state = 0;

    int com_port = 6;       /* COM7 */
    int baudrate = 115200;  /* 115200 */
    char mode[]  = {'8', 'N', '1', 0};

    int i = 0, n = 0;
    unsigned long count = 2000000;

    unsigned char recv_buf[RECV_BUF_SIZE + 1] = {0};

    /* Open COM Port */
    state = RS232_OpenComport(com_port, baudrate, mode);
    if(!state)
        printf("Open COM Port Success\n\n");

    /* Recv Data */
    do {
        n = RS232_PollComport(com_port, recv_buf, RECV_BUF_SIZE);
        if(n == RECV_BUF_SIZE) {
            printf("count = %7i, n = %i, recv data = ", count, n);
            recv_buf[n] = '\0';
            printf("%s", (char *)recv_buf);
        }
        else if(n > 0) {
            printf("count = %7i, n = %i, recv data = ", count, n);
            printf("*****\n");
        }
       Sleep(1);
    } while(--count);

    /* Close COM Port */
    RS232_CloseComport(com_port);
    printf("\nClose COM Port\n");

    return(0);
}

發射部分使用 RS232_SendByte 或 RS232_SendBuf 就可以了，
這邊沒有放上來測試，主要是因為官網都已經解釋得很詳細了。

使用 C 語言來做 RS232 的好處主要在於可以有更多的變化，像是傳檔案、模擬部分 UART 裝置等，不像終端機只能做字串或字元的傳輸。

最後完整的專案可以在 github 上下載
https://github.com/Hom-Wang/C-Language/tree/master/serial