PiQuadcopter(掰咖考特) -- 用Raspberry pi 做四軸飛行器(一) 前言

想做四軸很久了。會想用RPi不外乎以下理由：
- 磨練C programming
- 了解kernel programming(雖然最後幾乎沒用上)
- 想體驗Real-Time Linux的威力(雖然還沒開始用)

一般來說RPi拿來做四軸有點不太適合，因為作業系統是Linux(雖然據說可以安裝其他的RTOS，不過我暫時不討論這個)，而屬於通用型作業系統的Linux為了能在較短時間內完成較多任務，其即時性(從系統收到任務的時間到系統開始處理這任務的時間)比較差(正在處理的任務不能被優先權較高的任務插隊)。我希望用多執行緒程式+搶佔式即時核心(Preempt RT Linux kernel)來改善這個問題。

稍微搜尋了一下前人用Rpi做四軸的經驗：

RPi only
https://github.com/idavidstory/goPiCopter
使用Go程式語言，sensor更新週期50Hz，控制週期10Hz，9 DOF + PWM(PCA9685)
http://blog.pistuffing.co.uk/
看起來似乎沒完成

RPi + Arduino
https://github.com/vjaunet/QUADCOPTER_V2
使用MPU6050，Arduino用來控制SPI介面的硬體和PWM

https://github.com/rpicopter/AvrMiniCopter-wiki/wiki
10 DOF

https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=37&t=35746
MPU6050，使用特殊ESC所以不用PWM，sensor更新週期在300-400Hz，以C++編寫程式，不用Real-time OS，Arduino用於RFM12無線模組(與筆電交換訊息控制機體)

RPi + 其他飛控
http://www.instructables.com/id/Autonomous-Cardboard-Rasberry-Pi-Controlled-Quad/
http://www.botched.co.uk/quadrocopter/
使用dsPIC30F(PWM+I2C)，10 DOF

看起來完全用RPi不用其他MCU好像也不是不可能。

四軸的飛行控制需要的硬體有：
- 機架、電池、(無刷馬達+螺旋槳)*4 (廢話)
- ESC (electronic speed control) ：控制馬達轉速，需要用四個PWM(Pulse-width modulation，脈衝寬度調變)個別控制
- IMU(Inertial measurement unit，慣性測量單元)：三軸加速度計(測量重力加速度方向+加速度)+三軸角速度計(測量角速度)+三軸電子羅盤(測知方向)+氣壓計(換算海拔高度)，3+3+3+1簡稱10軸 (10 DOF，一般來說6軸勉強夠用)。
- 無線通訊模組(wifi 或RF)
- 如果想知道電池電量是不是快到底了，最好加個ADC(類比轉數位輸出)測量電池電壓。

而我手上的RPi model B+上面有：
- I2C * 1 (可接多個裝置，支援400kHz以上傳輸速度)
- SPI * 1 (可接兩個裝置，支援8MB/s以上傳輸速度)
- PWM * 1 (不夠用...)，雖然可以用DMA做軟體PWM，不過更新頻率不能太高(~100Hz差不多極限了)

根據以上需求，結論就是我需要買：
- 10軸IMU：GY80(I2C，400kHz，前6軸資料更新可達1600Hz)
- nRF24L01*2：無線模組(250Kbps-2Mbps，頻寬愈大有效距離愈小)一個給RPi用，一個給Arduino用(操縱四軸)，SPI
- ADC：MCP3008：10bit(量電壓夠用了) ，SPI
- PWM：PCA9685(Adafruit有賣已經設計好的電路，坊間也有類似的)，I2C，12bit，頻率可達1526Hz

然後就是程式部份，我選擇bcm2835( http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/ ) 而不是比較知名的wiringPi。因為bcm2835比較單純(從mmap找到address->讀寫bit控制)，不需要任何驅動程式，而wiringPi的SPI跟I2C控制是建立在驅動程式上，我希望能藉此避免驅動程式的介入把操縱單純化，這樣以後若是用Preempt RT kernel也比較不受影響。

目前我的進度到PID Control(調的好累)，希望不久後我的PiQuadcopter能很快飛起來。

參考資料

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