Joystick steuert acht Servos

Überblick

Im Bereich der Robotik ergibt sich häufiger die Notwendigkeit mehrere Servos anzusteuern, z.B. bei der Realisierung eines Roboterarms. Hierbei bietet sich ein Joystick als Bedienelement an, weil die Vielzahl der Achsen / Freiheitsgrade die effiziente Kontrolle über viele Kanäle ermöglicht.

Dieser Beitrag stellt eine PC-basierte Lösung zur Ansteuerung von bis zu acht Servos mit einem Joystick vor. Die Abbildung der Joystick-Kanäle und Schalter auf die Servokanäle erfolgt flexibel in der Konfigurationsoberfläche der Software. Die eigentliche Impulserzeugung für die Servos übernimmt ein PiKoder Serial Servo Controller, der über eine USB-Schnittstelle mit dem PC verbunden ist. Mit einem PiKoder/SSC lässt sich eine Ansteuergenauigkeit von 1 µs erreichen; bei höheren Anforderungen (bis 0,2 µs) kommt ein PiKoder/SSC-HP zum Einsatz.

Aufbau

Der Aufbau erfolgt idealerweise mit Hilfe eines PiKoder/SSC – Evaluationsboard bzw. – wie im Bild dargestellt – mit dem PiKoder/SSC-HP-Evaluationsboard und mit einem Standard USB-Adapter.
Die Spannungsversorgung des PiKoder erfolgt über das USB Kabel. Da die USB Schnittstelle nicht genügend Leistung zur Ansteuerung der Servos liefern kann, sind diese mit einer unabhängigen Spannungsquelle über die Anschlussleiste zu versorgen. Um Ausgleichströme zu verhindern, die den PC beschädigen könnten, darf der Jumper auf der PiKoder-Leiterplatte auf keinen Fall gesteckt sein. Nähere Informationen finden sich im User Manual der PiKoder.

Anschluss des USB Kabels an das PiKoder/SSC-HP Evaluation Board – bitte beachten Sie, dass der Jumper nicht gesteckt sein darf

Software

Das Joystick2SSC Programm ist Open Source (Java) und auf github zu finden, das direkt ablauffähige Programm mit allen benötigten Modulen kann hier als .zip Datei herunter geladen werden.

Alle Dateien werden extrahiert und in das Zielverzeichnis kopiert; eine Installation ist nicht erforderlich. Der Programmstart erfolgt durch Doppelklicken von start.x86.bat (in einem 32 Bit System) oder start.x64.bat in einem 64 Bit System.

Nach dem Start der Software erscheint der Hauptbildschirm.

Hauptbildschirm Joystick2SSC

Zur Konfiguration der Servokanäle wählen Sie den Tab mit der Bezeichnung Ihres angeschlossenen Joysticks.

Zuordnung von Joystick Kanälen / Schaltern zu Servokanälen

Hier können Sie nun die notwendigen Einstellungen vornehmen. Danach kehren Sie in den Startbildschrim zurück und verbinden sich über Connect mit dem PiKoder/SSC. Mit den Balken auf der rechten Seite des Bildschirms können Sie die Positionierung und Ausgangswerte der einzelnen Kanäle nachvollziehen.

Modellfernsteuerung mit Webbrowser – intuitiver und reaktiver

In meinen bisherigen Blogs zum Thema Modellfernsteuerung mit Webbrowser habe ich Lösungen vorgestellt, die hinsichtlich der Bedieneroberfläche und der Responsezeiten (Agilität) der Fernsteuerung nur für einfache und nicht zeitkritische Anwendungen geeignet waren.

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.

ESP8266-01 mit Arduino Due programmieren

Im meinem Blog zur Modellfernsteuerung mit Webbrowser habe ich bereits einen Programmieradapter für den ESP8266-01 vorgestellt.  Die Schaltung kann vereinfacht werden, wenn man einen Arduino Due einsetzt.

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.

Modellfernsteuerung mit Webbrowser

Ein Fernsteuermodell, dessen Empfänger als Access-Point konfiguriert ist und einen Webserver anbietet, kann mit einem Webbrowser von einem Smartphone aus ferngesteuert werden.

Als Hardwareplattform zur Implementierung dieses Konzepts bietet sich der PiKoder/SSC wRX an (s.u.): der ESP8266-01 realisiert den Access Point und den Webserver, der PiKoder/SSC übernimmt die zeitkritische Ansteuerung der Modellservos.

pikoder_ssc_wrx-catalogue-image-png

PiKoder/SSC wRX

In der Standardkonfiguration des PiKoder/SSC wRX wird der ESP8266-01 als transparente Brücke verwendet. Da zur Modellfernsteuerung mit dem Browser ein Webserver benötigt wird, ist der Wifi-Controller mit neuer Firmware zu laden. Hierzu kommt das IDE des Arduino zum Einsatz, das inzwischen auch generische ESP8266 Boards unterstützt.

Der benötigte Sketch ist Open Source und wird über das github Repository makerprojects/httpRC verteilt. Laden Sie den Sourcecode herunter und öffnen den Sketch mit dem Arduino IDE. Am Anfang des Programms finden Sie Hinweise zu den benötigten Boardeinstellungen. [Update 28.12.2018: Der httpRC Sketch wurde komplett überarbeitet. Die zugehörige Beschreibung finden Sie hier.]

usb-connector-ebay

USB-Serial Umsetzer

Da man zum Flashen außerdem noch einen Reset-Taster und einen Programmiertaster benötigt, baut man sich zweckmäßigerweise einen entsprechenden Adapter auf einer Lochrasterplatine auf.

programmieradapter-esp8266

Programmieradapter für den ESP8266-01

Der Schaltplan für den eigentlichen Programmierteil ist in der folgenden Schaltung dargestellt.

esp8266_flash_prog_board_sch

Die Erzeugung der ebenfalls benötigten 3,3 Volt kann genauso wie beim PiKoder/SSC wRX mit einem Standard-Lowdrop-Spannungsregler LF 33 CV erfolgen (s. Schaltplanauszug; die 5 Volt vom USB-Serial-Adapter werden rechts angeschlossen, der Ausgang ist auf der linken Seite.

spannungsanpassung

Leider startet die Programmierung des ESP8266 nicht automatisch wie man dies vielleicht vom Arduino gewöhnt ist, sondern ist manuell einzuleiten. Hierzu werden der RST und der PROG Taster gleichzeitig gedrückt und der RST-Taster bei noch gedrücktem PROG-Taster losgelassen. Wenn danach dann auch der PROG-Taster losgelassen wird, befindet sich das Modul im Programmiermodus. Nun kann das Upload gestartet werden und nach der erfolgreichen Programmübersetzung wird die neue Firmware aufgespielt. Bevor das Modul eingesetzt werden kann, ist ein weiterer Reset erforderlich.