Bereits im vorherigen Beitrag wurde die Möglichkeit vorgestellt, mit einem Joystick oder Gamepad, einem PC und einem PiKoder/SSC bis zu acht Servos über eine USB-Schnittstelle zu steuern. Hier wird nun beschrieben, wie eine drahtlose Modellfernsteuerung mit einem PiKoder – Empfänger, dem PiKoder/SSC RX, realisert werden kann.  Zur Signalübertragung kommt Bluetooth zum Einsatz.

Aufbau

Zunächst ist der PiKoder/SSC RX auf der Ebene des Betriebssystems mit dem PC zu verbinden. Hierzu sucht man zunächst in der Gerätesteuerung nach neuen Bluetoothgeräten.

Nach kurzer Zeit sollte das Bluetooth-Modul des Empfängers angeboten werden. Der PIN lautet “1234”.

Mit der Auswahl “Verbinden” erfolgt die Kopplung (Pairing) auf Systemebene.

Wie die folgende Ansicht aus dem Geräte-Manager zeigt, werden mit der Kopplung systemseitig auch zwei virtuelle serielle Schnittstellen angelegt auf die wir später im Programm zum Verbindungsaufbau zugreifen. 

Damit ist die Einrichtung abgeschlossen und das Programm JoystickRC kann jetzt wie im vorherigen Beitrag beschrieben gestartet werden. 

Der Sketch für den Sender basiert auf dem Open Source Projekt arduinorc von Richard Goutorbe. Damit stehen Leistungsmerkmale wie:

• bis zu 9 Proportional-Kanäle (Nano, bei Uno maximal 6 Kanäle)
• bis zu 6 zusätzliche Schaltkanäle
• 9 Modellspeicher
• Dual Rate und Exponential Schalter
• Throttle Cut als Sicherheitsfunktion
• 2 programmierbare Mixer
• Justagemöglichkeiten für Endpositionen, Steuerknüppel und Servos
• Throttle Sicherheitscheck beim Programmstart
• Optionale Batterieüberwachung mit Alarm
• Programmierbar unter Windows und Linux über USB-Schnittstelle und Terminalapplikation

Der arduinorc-Sketch wurde zum ArduinoDTx modifiziert, der am Arduino Ausgang D6 nun alle Kanalinformationen im miniSSC-Protokoll ausgibt. Dabei wird jedesmal dann ein Kommando erzeugt, wenn sich die Position eines Steuerknüppels verändert hat. Die PPM-Ausgabe ist komplett entfallen.

Der ArduinoDTx Sketch (.ino-Datei) ist Open Source und wird über ein entsprechendes github Repository unter den Bedingungen der GNU General Public License Version 3 zur Verfügung gestellt.

Digitale Vierkanal-Fernsteuerung

Schematischer Aufbau Arduino Digital RC

Als konkretes Anwendungsbeispiel soll nun eine digitale Fernsteuerung mit vier Kanälen realisiert werden. Der Aufbau des Prototypen ist im Bild oben dargestellt. Die zwei Thumb-Joysticks belegen die Anschlüsse Pot 1/2 und Pot 3/4 gemäß des oben dargestellten Schaltbildes. Die Verbindung zu den Analogpins des Arduino wird über ein Prototyp-Shield hergestellt. Dieses nimmt praktischerweise auch den Mode-Schalter und die LED mit ihrem Vorwiderstand von 270R auf.

Die Fernsteuerung ist für Batterieversorgung ausgelegt. Um auch beim Einsatz von Akkus mit einer Nennspannung von 1,2 V die erforderliche Mindestbetriebsspannung des Arduino von 6 V zu erreichen, wurde ein Batteriehalter für 5 AA – Zellen vorgesehen. Die beiden seitlichen Brettchen dienen zum Abstützen der Handflächen und erleichtern die Bedienung ganz erheblich.

Die USB-Schnittstelle des Arduino ist bei diesem Aufbau sehr gut zugänglich, so dass Firmware geladen werden kann und die spezifische Anwendungsparametrierung möglich ist.

Inbetriebnahme und Test

Testaufbau Arduino Digital RC

Die Inbetriebnahme beginnt mit dem Download des aduinodtx Sketch (.ino-Datei), der über ein entsprechendes github Repository zur Verfügung gestellt wird. (Hinweis: zur Übersetzung des Sketches wird die Arduino Library „TimerOne“ benötigt).

Nach dem erfolgreichen Upload des Sketches in den Arduino, kann die Funktion der Fernsteuerung am einfachsten mit dem im Bild dargestellten Aufbau einer drahtgebundenen Fernsteuerung getestet werden. In der Standardkonfiguration der Software werden durch die Pots 1 – 4 die entsprechenden Servokanäle 1 – 4 angesteuert.

Sind spezifische Anpassungen und Modelldefinitionen vorgesehen, dann sind diese gemäß der arduinorc-Beschreibung vorzunehmen: Alle Kommandos zur Programmierung der Fernsteuerfunktionen des arduinorc sind weiterhin verfügbar (Kommando Dokumentation).

Erweiterung auf Bluetooth

Bluetooth Shield Konfiguration für Arduino Digital RC

Die digitale Fernsteuerung kann mit einem ITEAD-Bluetooth Shield und einem PiKoder/SSC RX  als Empfänger mit einfachen Mitteln zu einer drahtlosen Fernsteuerung ausgebaut werden. Da die Übertragung transparent geschieht, sind keine Anpassungen der Arduino-Software gegenüber der drahtgebundenen Version vorzunehmen und es steht der volle Funktionsumfang der Fernsteuerung zur Verfügung.

Der prinzipielle Aufbau des Senders ist im Bild dargestellt. Vor der erstmaligen Inbetriebnahme ist die Verbindung zwischen den beiden Bluetooth-Modulen zu konfigurieren. Das PiKoder/SSC RX User Manual, das von der PiKoder/SSC RX Seite heruntergeladen werden kann, beschreibt die notwendigen Schritte im Detail.

Erweiterung auf WLAN

Die digitale Fernsteuerung kann mit einfachen Mitteln auch auf WLAN hochgerüstet werden. Die Beschreibung hierzu finden Sie im Beitrag WLAN Modellfernsteuerung mit Arduino. 

Weitere Anwendungsbeispiele

Um größere Reichweiten zu erzielen, kann die digitale Fernsteuerung alternativ auch auf XBee umgestellt werden. Der Aufbau wird in einem weiteren Beitrag Modellfernsteuerung mit Arduino über XBee erklärt.

Soll WLAN als Übertragungsweg genutzt werden, dann kann ein solcher Kanal senderseitig mit einem ESP8266-01 Modul realisiert werden; als Empfänger kommt ein PiKoder/SSC wRX zum Einsatz.

In diesem Fall werden neben den Basiskomponenten wie Steuerknüppeln, Schalter, etc., die zum Aufbau des arduinodtx-basierten Fernsteuersenders erforderlich sind, ein Logic Level Umsetzer von 5 auf 3,3 Volt, zwei Jumper zur Umschaltung der seriellen Kommunikationsschnittstelle (UART-Multiplexer) und ein ESP8266-01 Modul benötigt wie im Beitragsbild dargestellt. Die Verdrahtung entnehmen Sie dem folgenden Schaltbild (die Signale mit gleicher Bezeichnung müssen verbunden werden, Signale in blauer Schrift sind mit den entsprechenden Arduino-Signalen zu verbinden):

Der Aufbau ist relativ einfach und sollte problemlos auf einem Prototyp-Board erfolgen können.  

Im nächsten Schritt ist der ESP8266-01 als Access Point mit seriellem Ausgang zu programmieren – die Beschreibung hierzu finden Sie im Blog ESP8266-01 Sketch für den PiKoder/SSC wRX. Wollen Sie den ESP8266-01 im „eingesetzten Zustand“ programmieren, dann müssen Sie die dargestellte Schaltung um einen Programmierteil erweitern:

Bitte beachten Sie auch die Jumperstellung für D0/D1. Zusätzlich sollte bei jeder direkten Kommunikation mit dem ESP8266-01 der Arduino „stillgelegt“ werden (RESET Leitung auf GND legen), so dass die Datenübertragung nicht gestört wird.

Mit dem erfolgreichen Abschluss der Programmierung des ESP8266-01, dem Umstecken der Jumper, Aufwecken des Arduino und einem Reboot ist die Modellfernsteuerung betriebsbereit. 

Die zuerst vorgestellte tastenorientierte Bedieneroberfläche war vergleichsweise träge, weil nach jeder Bedienung wieder die komplette Seite übertragen und neu aufgebaut wurde.

Das verbesserte „Joystick-artige“ Konzept benutzt bereits AJAX, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Allerdings erfordert die Steuerung noch, dass eine Bewegung durch einmaliges Antippen gestartet wird und dann durch erneutes Tippen an einer anderen Stelle des Bildschirms gestoppt wird während man eigentlich erwarten würde, dass die Bewegung solange aktiviert ist, wie die Taste „gedrückt“ wird.

Die neueste Version von httpRC erfüllt nun auf Basis einer tastenorientierten Bedieneroberfläche beide Anforderungen hinsichlich Reaktionsgeschwindigkeit und Logik: ein Befehl wird nur solange ausgeführt, wie der Button gedrückt wird.

Der Source Code für den ESP8266-01 wird über github bereit gestellt. Für die Programmierung habe ich sowohl den bereits beschriebenen Programmieradapter als auch den Arduino Due erfolgreich eingesetzt.

Weitere Informationen zum Empfängerbausatz selber finden Sie auf der entsprechenden Pikoder-Webseite.

Der Ardupilot Mega (APM) und andere Flight Controller werden vorzugsweise über ein PPM-Summensignal angesteuert und nicht über die Einzelkanaleingänge wie im Teil I dieses Blogs beschrieben. Mit dem PiKoder/PPM wRX steht nun auch ein Empfänger zur Verfügung, der direkt ein PPM Signal liefert.  Damit reduziert sich die Verbindung zwischen dem Empfänger und dem APM auf ein dreipoliges Kabel wie im Beitragsbild sichtbar.

Beschreibung

Der PiKoder/PPM wRX wird für die Anwendung in einem Rover ebenfalls von der udpRC4UGV App bedient, die im zweiten Teil des Beitrags beschrieben wurde.

Diese App wurde so erweitert, dass die Position des Steuerkanals (direction) und  des Motors (throttle) innerhalb des PPM Rahmens flexibel in den App Präferenzen festgelegt werden kann.

Die Eingabe erfolgt über die Auswahl der Präferenz und die Eingabe der Kanalnummer (1 .. 8). Beim APM liegt beispielsweise der Steuerkanal auf 1 (entsprechend default) und der Motorkanal auf 3.

Bitte beachten Sie ebenfalls, dass für die Umschaltung des APM von der parallelen Eingabe je Kanal auf PPM zwischen Kanal 2 und 3 ein Jumper gesetzt werden muss (s.u.).

Der Arduino Due basiert im Gegensatz zu den meisten anderen Arduino Boards auf einem Controller mit 3,3 Volt Logik und kann daher zwei Funktionen übernehmen:

• USB zu UART Adapter mit 3,3 V Ausgangspegel
• Spannungsquelle für die vom ESP8266 benötigten 3,3 V

Das Verdrahtungsschema ist im Titelbild für diesen Beitrag  dargestellt. Zusätzlich ist zu beachten, dass der Arduino Controller „still zu legen“ ist, damit er die Programmierung des ESP8266 nicht stört. Hierzu wird der Reset des Due fest mit GND verbunden.

Der praktische Aufbau des Programmieradapters kann auf einem Prototyp-Board erfolgen.

Hierbei wird der ESP8266-01 über einen Breakout-Adapter verbunden, da der Stecker nicht für den Einsatz in einem Prototyp-Board geeignet ist.

Dieser Blog beschreibt die Schuco Speed-Buggy Leiterplatte und die hierauf notwendigen Änderungen für den Einsatz mit dem PiKoder/SSC wRX um den Buggy mit einem Android Smartphone oder Tablett fernsteuern zu können.

Zur Adaptierung des Empfängers an die Leiterplatte sollen die vom PiKoder/SSC wRX erzeugten Impulse für die einzelnen Kanäle hinter dem auf der Leiterplatte vorhandenen Dekoder eingespeist werden.

Aufbau der Leiterplatte

Die Leiterplatte realisiert einen Digital-Proportional-Empfänger für drei Kanäle – Richtung, Geschwindigkeit und Licht – einschließlich der erforderlichen Servo- und Motoransteuerung.

Auf der Leiterplatte sind ein diskret aufgebauter Superhet-Empfänger (der in der neuen Konfiguration nicht mehr benötigt wird), ein Dekoder-IC (IC 1 im folgenden Bild), das die eingehenden PPM – Signale in die je Kanal erforderlichen PWM Signale umsetzt, ein IC für die Lenkservosteuerung (IC 2 im folgenden Bild)  und ein integrierter Schaltkreis für die Motoransteuerung (IC 3 im folgenden Bild) vorhanden.

Umbau der Leiterplatte

Die Kanalinformationen des PiKoder/SSC sollen die vom Dekoder erzeugten PWM Signale ersetzen. Um zu verhindern, dass sich die beiden Ausgangssignale gegenseitig stören bzw. die gegeneinander geschalteten Ausgangsstufen zerstört werden, habe ich das Dekoder-IC ausgelötet. Da die Leiterplatte einseitig ausgeführt ist, ging dies ohne Komplikationen und Leiterbahnablösungen.

Die Pins, an denen die dekodierten Signale abgegeben wurden, habe ich durch eine Stiftleiste ersetzt.

Die Belegung der Stifte von links nach rechts ist: Eingang für Lenkung, Motor, Licht.

Wie Sie vielleicht später beim Vergleich der Leiterplattenbilder feststellen werden, musste ich aufgrund eines Defektes der Leiterplatte das IC2 ersetzen.

Test und Messungen

Um die Änderungen testen zu können, habe ich ein einfaches Funktionsmodell des Buggy aufgebaut – das Lenkservo ist original, die Scheinwerfer werden durch eine LED simuliert und ein kleiner Gleichstrommotor ersetzt die originale Motor-/ Getriebeeinheit. Der Fernsteuerempfänger wird mit Klettband befestigt.

Zunächst habe ich dann die erforderlichen Impulslängen ermittelt. Da in der Vergangenheit fast jeder Hersteller seine eigenen spezifischen Impulslängen verwendet hat, empfiehlt sich in jedem Fall eine Überprüfung.

Zur Ermittlung der besten Einstellung habe ich den PiKoder/SSC wRX mit dem Aufbau verbunden und gemäß dem nachfolgenden Bild verdrahtet. (Wichtig: der Empfänger und das rote Kabel sind nicht eingesteckt!)

Mit Hilfe des PiKoder Control Centers (PCC) habe ich verschiedene Werte ausprobiert. Die nachfolgenden Einstellungen waren für meinen Aufbau am besten geeignet.

Im Bild sind für die Kanäle 1 und 2 jeweils die Neutralstellung sowie die Minimal- und Maximalwerte gezeigt. Für den Schaltkanal 3 (Scheinwerfer) gibt es keine Neutralposition – ab ca. 1920 µs schaltet das Licht ein. Da die Scheinwerfer nicht über eine Output-Pin geschaltet werden wie bei meiner Umrüstung, sondern über ein PWM-Signal, habe ich eine neue Version 1.11 der udpRC-App erstellt, in der Sie in den App-Settings von der Default-Konfiguration ‚Output-Pin‘ auf PWM umschalten können. Die App ist kostenlos im Play Store erhältlich.

Die ermittelten Werte werden mit ‚Save Parameters‘ im PiKoder abgespeichert, so dass die udpRC-App immer die richtigen Werte vorfindet.

Dieser Blog beschreibt die Umrüstung eines Schuco Speed-Buggy von traditioneller Fernsteuerung auf eine Smartphone-Fernsteuerung mit einem PiKoder/SSC wRX. Obwohl diverse Schritte Buggy-spezifisch sind, lässt sich trotzdem die Vorgehensweise für den Umbau eines beliebigen Fernsteuermodells ableiten.

Meine Idee war, den Empfängerteil der Fernsteuerung still zu legen und die Kanalimpulse des neuen Smartphone-Empfängers am Ausgang des Kanal-Decoders – einzuspeisen, so dass sich die mechanischen und elektrischen Umbauten des Buggy auf ein Minimum beschränken.

Der von mir dann auf ebay als defekt erworbene Buggy hatte leider ausgerechnet eine nicht funktionierende Empfänger-Leiterplatte, so dass ich den Buggy entgegen meiner Planung auch mechanisch und elektrisch umbauen musste.

Vom Umbau hat aber auch meine Smartphone App udpRC deutlich profitiert: für den Lenk-Kanal gibt es jetzt eine Richtungsumkehr (reverse) und für beide Kanäle wird eine Trimfunktion angeboten. Und schließlich habe ich noch einen Schaltkanal (LIGHTS) realisiert, damit ich, wie in der Originalkonfiguration, auch die Scheinwerfer ein- und ausschalten kann.

Hinweis: Ich habe geplant, die Buggy-Leiterplatte noch weiter zu analysieren, zu reparieren und dann den Anschluss des Smartphone Empfängers an die Leiterplatte in einem weiteren Blog zu beschreiben.

Mechanische und elektrische Umbauten

Bestandsaufnahme und Funktion der Originalfernsteuerung

Das folgende Bild zeigt die Ausgangssituation des Buggy.

Die Ansteuerung des Antriebsmotors erfolgt traditionell über eine Brückenschaltung. Ein Standard-Fahrtregler kann diese Aufgabe ohne weitere Anpassungen übernehmen (und hat den Vorteil, dass die Spannungsversorgung des Empfängers in der Regel durch eine BEC-Funktion (Battery Eliminatior Circuit) bereit gestellt wird).

Das Lenkservo ist diskret aufgebaut: es wird nicht nur der Motor angesteuert, sondern auch ein Poti zur Auswertung der Position eingelesen. Da diese Logik nicht ohne größeren Aufwand nachzubilden ist, habe ich mich entschlossen, das diskret aufgebaute Servo komplett durch ein Fernsteuerservo zu ersetzen. Ein Graupner-Servo aus meiner Bastelkiste hat mechanisch perfekt gepasst.

Das Schalten der Scheinwerfer erfolgt interessanterweise nicht über den im Dekoderbaustein enthaltenen Schaltausgang, sondern wird diskret über die Auswertung der Kanalimpulslänge realisiert. Auch hier habe ich davon abgesehen, die vorhandene Logik nachzubilden und statt dessen für die Scheinwerfer die optionale Schaltfunktion des PiKoder/SSC wRX vorgesehen und eine einfache Treiberschaltung auf einer Prototypleiterplatte aufgebaut.

Das folgende Bild zeigt den modifizierten Aufbau.

Details zum Umbau

Einbau des Fahrtreglers

Das nächste Bild zeigt den Einbau des Fahrtreglers.

Der gewählte Fahrtregler passt mechanisch zwischen die Plastikstehbolzen vor der Motor-/Getriebeeinheit. Den zum Regler gehörigen Schalter (im Bild noch vorhanden) habe ich durch den Originalschalter des Buggy ersetzt, der dann wieder an der ursprünglichen Position eingesetzt wird.

Beleuchtung

Die Ansteuerung der Beleuchtung erfolgt durch eine kleine Treiberschaltung (im folgenden Bild sichtbar auf Prototypleiterplatte).

Die Schaltung ist denkbar einfach:

Als Schalttransistor habe ich einen 2N2222 mit einem Basiswiderstand von 1k verwendet. Weiterhin ist im Bild ein Hochlastwiderstand von 10R erkennbar, den ich in Reihe mit den Glühbirnen geschaltet habe (ich habe keine Angaben zu den Glühbirnen gefunden und da die Glühbirnen von der Buggy-Leiterplatte aus mit 6V angesteuert werden, ich aber eine direkte Verbindung zu den Akkus ( 6 x 1,2 V = 7,2 V) hergestellt habe, will ich so die Lebensdauer der Glühbirnen verlängern).

Da die Treiberschaltung die Glühbirnen im Gegensatz zur ursprünglichen Aufbau nun gegen Masse schaltet, mußte ich die Verkabelung der Beleuchtung ändern (schwarzes Kabel entfernt und gelbes Kabel verlegt).

Weitere umbauten und hinweise

Die vorhandene Kontrolllampe habe ich durch eine rote LED mit einem Vorwiderstand ersetzt, weil die Versorgung über den BEC erfolgt und ich den Leistungsbedarf minimieren wollte, um ggf. später noch andere Erweiterungen durchführen zu können (weißes Kabel im Bild).

Einbau des Empfängers PiKoder/SSC wRX

Mit dem Entfall der Original-Leiterplatte konnte ich den Empfänger mit Leichtigkeit in den entstandenen Raum einbauen; die Befestigung erfolgte mit Klettband.

Die Karosserie wird dann aufgesetzt und die Kabel von den Servos, der Lichtansteuerung und der Kontrolllampe werden, wie im nachfolgenden Bild zu sehen, aufgesteckt.

Die Reihenfolge der Kabel lautet von links nach rechts: Eingang Lichtsteuerung (rotes Kabel auf Kanalpin, Fahrtregler, Lenkservo und Kontrolllampe (weißes Kabel auf Pluspol der Spannungsversorgung des PiKoder/SSC wRX aufstecken).

udpRC Android Fernsteuer-App

Die Fernsteuerung erfolgt über die udpRC App, die ich speziell für diese Buggy-Anwendung erweitert habe (Release 1.10). Neben dem neuen Buggy Picto bietet die Touch-Bedieneroberfläche nun eine Trim- sowie eine reverse- und Light-Funktion an.

Die udpRC App ist kostenlos im Google Play Store erhältlich.

In diesem Projekt wird ein Webserver auf dem ESP8266 implementiert – ähnlich wie in meinem Blog Modellfernsteuerung mit Webbrowser. Damit kann dann ebenfalls eine Betriebssystem-neutrale Fernsteuerung realisiert werden. Besonders interessant an diesem Projekt ist allerdings die einfache HTML5 Oberfläche, mit der ein Joystick realisiert wird.

Die Software ist Open Source und so konnte ich das Programm für den Einsatz in einem PiKoder/SSC wRX umstellen. Zusätzlich habe ich den Code so verändert, dass ein normales Fahrzeug mit einem Motor- und einem Richtungskanal gesteuert werden kann. Der angepasste Source Code steht in einem github Repository zur Verfügung.

Die Programmierung des ESP8266 ist ebenfalls im Blog zur Modellfernsteuerung mit Webbrowser beschrieben. Eine zusätzliche Besonderheit des ESP8266 MikroE Buggy Projekts besteht darin, dass das Arduino Filesystem benutzt wird. Die Installation und Benutzung ist hier beschrieben.

Wesentlich einfacher ist es, den ESP8266-01 mit einem Sketch zu laden, der hinsichtlich der seriellen Kommunikation die identische Funktion realisiert und zusätzlich mit einigen effektiven Kommandos die Einstellung der benötigten AP-Parameter ermöglicht.

Der benötigte Sketch udpRC_ESP8266-01 ist Open Source und steht in einem github-Repository zum Download bereit. Die Firmware wird über das Arduino IDE, wie im Beitrag Modellfernsteuerung mit Webbrowser beschrieben, in den ESP geflasht.

Die Bedienung ist denkbar einfach. Beim ersten Start überprüft das Programm den Speicher des ESP8266, ob bereits ein gültiger Parametersatz vorliegt. Ist dies nicht der Fall, dann werden die Defaultwerte abgelegt. Nach einem erneuten Start ist der Controller dann mit Defaultwerten einsatzbereit.

Der Screenshot zeigt die Bedienung und die verfügbaren Kommandos. Nach dem Reset meldet sich der ESP8266-01 mit einigen unlesbaren Zeichen, die die Betriebsbereitschaft anzeigen.

Mit dem Kommando ‚$?<cr><lf>‘ wird der aktuelle Parametersatz abgefragt und ausgegeben. Die SSID des AP wird mit dem Kommando ‚$s=‘ gefolgt von <cr><lf> geändert und zur Veränderung des Passwords wird ‚$p=‘ eingesetzt. Die neuen Parameter werden zwar direkt abgespeichert aber erst nach einem Neustart verwendet. Nach erfolgreicher Parametrierung können die geänderten Einstellungen jederzeit mit ‚$?<cr><lf>‘ abgefragt werden.