Damit habe ich die Basis geschaffen, um zukünftig in einer Standardumgebung weitere Sensoren zu verarbeiten und Missionen für den DiddyBorg zu planen und durchzuführen.

Softwareinstallation auf dem Raspberry Pi (RPi)

Auf dem RPi installieren Sie zunächst pymavlink, die Python-Version der MAVLink-Libraries. Am einfachsten geht dies mit PIP:

pip install pymavlink

Dann erstellen Sie ein Verzeichnis, z.B. diddy2QGC, in das Sie die Python-Module diddy2QGroundControl.py und ThunderBorg3.py aus dem Github-Repository dieses Projekts kopieren. In diesem Verzeichnis starten Sie dann später das Python-Skript mit:

 python diddy2QGroundControl.py

Softwareinstallation auf dem Desktop

Installieren Sie QGroundControl auf Ihrem Desktop.

Starten der Anwendungen

Stellen Sie sicher, dass sich der RPi und Ihr Desktop im gleichen Netzwerk befinden und starten Sie QGroundControl (QGC) und das Python-Skript (die Reihenfolge ist ohne Bedeutung). 

Der DiddyBorg sendet Heartbeat-Messages, die von QGC erkannt und beantwortet werden. Nach dem Austausch einiger weiterer Messages (bitte nicht von den Fehlermeldungen irritieren lassen), ist die Verbindung hergestellt und Sie finden dann in den Vehicle-Einstellungen die Möglichkeit, Ihren Joystick einzulernen. Bitte beachten Sie dabei, dass diddy2QGroundControl.py im Mode 2 den Roll-Kanal für die Rechts/Links-Steuerung und den invertierten Wert des Pitch-Kanals für die Motorsteuerung verwendet.

Die DiddyBorg-Beispielprogramme, die vom Hersteller PiBorg veröffentlicht wurden, enthalten zwar auch ein Python-Fernsteuerscript mit Joystick, die aber Bluetooth verwendet und daher nur eine recht beschränkte Reichweite aufweist. 

Die hier vorgestellte App verwendet das vorhandene WLAN und UDP als Protokoll, um eine ausreichende Agilität der Fernsteuerung sicher zu stellen. Aus Sicherheitsgründen ist die Time-Out-Logik der Motorsteuerung ThunderBorg aktiviert.

Installation der Software

Der DiddyBorg benötigt als Empfänger ein Python-Script JoystickRC4DiddyBorg, das Sie auf github.com finden. Zusätzlich zum Empfängerprogramm finden Sie im Repository auch eine Version der ThunderBorg – Library für Python 3.x (die  Beispielprogramme für den DiddyBorg basieren noch auf Python 2.x).

Am einfachsten ist es, die beiden Dateien zusätzlich in das Verzeichnis mit den Beispielen zu kopieren – dann sollte das Script ohne weitere Anpassungen von Pfadnamen funktionieren.

Auf der PC – Seite installieren Sie die gleichnamige Windows App JoystickRC4DiddyBorg, die Sie kostenfrei im Microsoft App Store erhalten. 

Bedienung

Starten Sie zuerst das Python-Script auf dem DiddyBorg. Wenn Sie einen Bildschirm angeschlossen haben, dann meldet sich das Programm und gibt an, dass es auf einen  Client wartet.

Wenn Sie die PC App starten, dann sucht diese automatisch nach einem DiddyBorg mit einem aktiven und kompatiblen Empfänger im lokalen WLAN (mit dem sowohl der DiddyBorg als auch der verwendete PC verbunden sein müssen). Kann keine Verbindung hergestellt werden, dann erfolgt eine entsprechende Fehlermeldung. 

Nach dem erfolgreichen Verbindungsaufbau können die Kanäle den verschiedenen Joystickachsen und Tasten zugeordnet werden. Die Kanäle 3 und 4 werden als Taster verwendet und ermöglichen beispielsweise eine schnelle / langsame Drehung (die Funktion der Taster kann im Python-Script nachvollzogen werden). 

Die Zuordnung der Kanäle wird gespeichert und beim nächsten Programmstart wieder hergestellt.

In diesem Blog wird nun ein noch kompakterer Aufbau beschrieben, bei dem der USB Hub, der USB2PPM PiKoder und das Multiprotokoll-Modul mechanisch zu einer Einheit zusammengefasst werden, die dann nur noch mit dem Smart Device und dem Joystick verbunden werden muss.

Zur Realisierung sind folgende Schritte erforderlich:

1. 1. Kabel USB – Hub verlängern
   2. USB2PPM PiKoder mit USB-Stecker modifizieren
   3. Baugruppenträger realisieren
   4. Module montieren und verdrahten

Kabel USB – Hub verlängern

Die gängigen USB OTG Hubs (on the go) haben in der Regel ein sehr kurzes Anschlusskabel (0,1 – 0,15 m). Im praktischen Einsatz ergeben sich hierdurch Einschränkungen, da der Hub so immer in der Nähe des Smart Devices sein muss und möglicherweise neben dem Halter in der Luft hängt und so eine „starre Verbindung“ mit dem PiKoder nicht möglich ist.

Die Verlängerung des Anschlusskabels stellt kein Problem dar. Es ist lediglich zu beachten, dass als Stecker weiterhin ein OTG-Stecker mit entsprechender Kodierung (s. Bild) zum Einsatz kommt, weil der Hub ansonsten nicht erkannt und mit Spannung versorgt wird.

Die Verlängerung lässt sich am einfachsten realisieren, indem ein Stück USB-Kabel der gewünschten Länge an die Hub-Platine angelötet wird und am anderen Ende der vorhandene Stecker mit dem kurzen Kabelende angebracht und mit Schrumpfschlauch fixiert wird.          

USB2PPM PiKoder mit USB-Stecker modifizieren

Für die direkte Verbindung zwischen USB Hub und PiKoder benötigt der USB2PPM einen USB Stecker (s. Bild rechts) anstelle der normalen USB Micro-Buchse. Damit der Stecker montiert werden kann, sägen Sie die Leiterplatte ein um dann die Befestigungslaschen durchstecken zu können. Zusätzlich ist eine Bohrung erforderlich, um die Anschlusskabel des Steckers verdrahten zu können (s. Bild unten).

Danach kleben Sie den Stecker mit Zweikomponentenkleber auf die Leiterplatte und bestücken die Leiterplatte mit den übrigen Bauteilen (s. Bilder unten). Hinweis: im weiteren Verlauf des Projektes habe ich den dreipoligen Header durch einen Molex-Verbinder ersetzt. 

Zum Schluss verbinden Sie nun noch die Pins des USB Steckers mit den entsprechenden PiKoder Pins; hierzu wird ein dünner, isolierter Draht verwendet. Das folgenden Bilder zeigen die schematische Verbindung und danach sehen Sie die konkrete Ausführung auf der Platinenunterseite.

Baugruppenträger realisieren

Der Baugruppenträger besteht aus einer einfachen gewinkelten Holzkonstruktion. Die quadratische Grundplatte von 85 mm Seitenlänge nimmt den Hub und den USB2PPM Pikoder auf. Das Multiprotokollmodul wird in der senkrechten Gabel eingeklemmt. Zur optischen Verbesserung der Kabelführung habe ich einen entsprechenden Kanal gebohrt.

Module montieren und verdrahten

Auf den folgenden Bildern sehen Sie den kompletten Aufbau. Der Hub wird mit doppelseitigem Klebeband fixiert, der USB2PPM PiKoder eingesteckt und mit Schrauben durch die beiden vorderen Befestigungslöcher fixiert. Hierbei verwenden Sie am besten einige Unterlagscheiben als Abstandhalter, damit sich die Leiterplatte nicht verbiegt.

Mit dem Micro USB Stecker ist der „Kompakt-Sender“ zunächst für den Anschluss an ein Android Device vorgesehen. Mit einem kleinen Adapter, z.B. von Micro USB auf USB C-Stecker kann der Sender natürlich problemlos mit einem Surface Notebook verbunden werden.  

Von daher kann der Gesamtaufbau vereinfacht werden, indem statt des kompletten Fernsteuersenders ein Multiprotokoll-TX-Modul wie das iRangeX  iRX4+ eingesetzt wird.

Das Modul kann – genauso wie der Fernsteuersender – direkt über das PPM-Signal vom USB2PPM – PiKoder angesteuert werden. Da das iRangeX bereits ab einer Betriebsspannung von 5 Volt arbeitet, ist keine zusätzliche Batterie erforderlich sondern die Spannungsversorgung erfolgt ebenfalls über den USB2PPM PiKoder. 

Aufbau 

Der USB2PPM PiKoder wird entsprechend der Anleitung aufgebaut. Auch wenn Sie bisher nur eine Cynch-Buchse bestückt haben, lässt sich der dreipolige Header problemlos nachrüsten.

Die Verbindung zwischen dem iRX4+ Moduls wird über ein dreiadriges Kabel (Vcc, PPM und Gnd) hergestellt (s. Bild links unten). An einem Ende des Kabels befindet sich eine dreipolige Buchse zum Aufstecken auf die entsprechende Stiftleiste des USB2PPM, auf der anderen Seite werden die fünf Buchsen des Moduls adaptiert – die Pinbelegung, die das Modul erwartet, sehen Sie im rechten Bild. 

Es sind darüber hinaus keine weiteren Anpassungen oder Änderungen erforderlich. 

Und der hier beschriebene Aufbau ist natürlich genauso in Verbindung mit einem Windows-Notebook zu verwenden.

Der Hardwareaufbau im Titelbild gleicht der Konfiguration im Teil 1 bis auf den Computer, der durch das Smart Device ersetzt wird und den Hub: in Verbindung mit dem Smart Device ist unbedingt ein USB OTG Hub zu verwenden. 

Hinsichtlich der Vorbereitung des Fernsteuersenders gelten die gleichen Überlegungen zur Ergonomie und es empfiehlt sich, die Fernsteuerung wie in Teil 1 beschrieben, mit einem Schalter zu erweitern.

Hinsichtlich der App selber haben Sie die Auswahl zwischen der kostenlosen App Joystick2PPM und einer speziellen  App für Quadrocopter Joystick4UAV (s.u.); beide Apps finden Sie im Google Play Store. 

Joystick2PPM (Android App)

Die Bedieneroberfläche der App entspricht weitgehend der Windows Implementierung und ist intuitiv und einfach verständlich. Auf der linken Seite befinden sich die Joystick – Bedienelemente und die Abbildung auf die Servokanäle erfolgt auf der rechten Seite mit Drop-Down-Boxen.

Der Joystick und der USB2PPM werden nach dem Starten der APP automatisch erkannt. Der Benutzer muss beim erstmaligen Gebrauch den Zugriff der Anwendung auf die entsprechenden USB-Schnittstellen freigeben. 

Bitte beachten Sie, dass die App derzeit nur eine beschränkte Anzahl von Joysticks und anderen Bediengeräten unterstützt. Den aktuellen Stand der kompatiblen Geräte finden Sie jederzeit im Playstore. 

Joystick4UAV (Android App)

Die Joystick4UAV App stellt eine Weiterentwicklung der Joystick2PPM Anwendung dar, die auf die Belange der Fernsteuerung von Quadrocoptern oder anderen Fahrzeugen (UGV) und Booten (USV) mit einem Flight Controller ausgerichtet ist.

Vom grundsätzlichen Aufbau her entspricht die Joystick4UAV den bereits beschriebenen Apps. Die Abbildung der vier Joystick-Achsen erfolgt auf die Fernsteuerkanäle 1-4 entsprechend der üblichen Belegung für Flight Controller. Diese Zuordnung innerhalb der vier Kanäle können Sie natürlich entsprechend Ihrer Präferenzen anpassen. Alle Kanäle können durch Checken der zugehörigen Box invertiert werden.

Der Flight Mode wird im Kanal 5 kodiert. Es stehen sechs Modi zur Verfügung. Die Umschaltung erfolgt über die Joystick-Taster 7-12 (s. Bild rechts unten), wobei Taster 7 Flugmode „1“ einstellt und Taster 12 den Flugmode „6“. Der gewählte Flugmode wird jeweils numerisch angezeigt („1“ im Bild oben) und der Balken entspricht dem übertragenen Kanalwert.

Die verbleibenden Taster 1-6 (Button B1 .. B6 im oberen Bereich) und der Hat-Switch stehen für Sonderfunktionen zur Verfügung und können beliebig den Kanälen 6-8 zugeordnet werden. Wird die zum Kanal gehörige Box aktiviert, dann verhält sich der Taster als Schalter.

Bitte beachten Sie, dass in der App derzeit nur der Logitech Extreme 3D Pro Joystick unterstützt wird.

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.).

In den typischen Anwendungen des Ardupilot Mega erfolgt die manuelle Kontrolle des Modells mit einer Modellfernsteuerung: der Empfänger bedient die Eingänge des APM mit PWM Signalen um sowohl die Bewegungen des Modells zu kontrollieren, als auch zur Auslösung von Sonderfunktionen und zur Umschaltung zwischen verschiedenen Flugmodi.

Wenn man den konventionellen Fernsteuerempfänger durch einen PiKoder-Empfänger wie den WLAN Empfänger PiKoder/SSC wRX ersetzt, dann kann der Ardupilot, beispielsweise in der Rover Konfiguration, über ein Smartphone gesteuert werden. Als Bedieneroberfläche können für diesen Anwendungsfall entweder die Android – Fernsteuerapps udpRC oder picCAR zum Einsatz kommen oder die im vorherigen Beitrag beschriebene Browser Oberfläche.

Realisierung

Zunächst wird der APM mit dem Mission Planer mit der ROVER – Konfiguration geladen; eine weitere Anpassung der Parameter war in meinem Fall nicht erforderlich.

Im folgenden Bild ist der sehr einfache Hardwareaufbau dargestellt.

Der PiKoder – Kanal 1 wird mit dem APM Eingang 1 (Steering) und der PiKoder – Kanal 2 mit dem Eingang 3 (Throttle) verbunden. An der Ausgangsseite wird die Standard-Rover-Verdrahtung verwendet (Lenkservo an Kanal 1, ESC mit BEC an Kanal 3). In dieser Konfiguration übernimmt der Ardupilot die Spannungsversorgung des Empfängers.

Der Ardupilot reagiert nicht auf PWM-Signale, die den typischen Bereich von ca. 1.000 – 2.000 µs unter- bzw. überschreiten. Von daher sind die Minimal- und Maximalwerte der Impulswerte des PiKoder/SSC, wie im folgenden Bild dargestellt, anzupassen.

Hierzu kommt das PiKoder Control Center (PCC) zum Einsatz wie im User’s Manual für den PiKoder/SSC wRX beschrieben.

Damit ist der Aufbau abgeschlossen; die Funktion der Apps ist in den Bedienungsanleitungen beschrieben.

Ausblick

Die Implementierung weiterer Konfigurationen und Funktionen ist inzwischen erfolgt und in die Android App udpRC4UGV eingeflossen, die in der Fortsetzung dieses Blogs beschrieben wird.

Da sowohl die Apps Open Source sind und das Empfänger-Protokoll offen gelegt ist, können natürlich auch eigene Modifikationen und Erweiterungen vorgenommen werden.