树莓派 Zero做飞控图传

前言

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http://www.cnblogs.com/sjqlwy/p/zero_fpv.html

虽然可以买到商品成品,且会比我们做出来的东西更美观,性能指标更强,但是在折腾中学习,按照自己的需求进行优化改动,享受创造的喜悦,不正是创客精神嘛。

本项目使用手头现有的硬件,旨在将树莓派Zero作为飞控图传使用,本以为会很简单,但是软件适配方面遇到一些问题,困扰了很久。

1. 硬件部分

我们首先来看看硬件列表:

  • Raspberry Pi Zero v1.3
  • otg table & usb wifi dongle (Xiaomi wifi)
  • Raspberry Pi Camera Module v1.3
  • LattePanda With LCD Display

1.1 RPi Zero介绍

Zero体积小巧 (可以当钥匙扣),性能足够,兼容树莓派软硬件资源,这几点让它非常适合做一些硬件相关的创意项目。如果把它当做一个小号的树莓派使用,那真是买椟还珠?我们看看它的相关配置:

  • 1GHz单核CPU
  • 512MB 内存
  • Micro-USB OTG 接口(可用于供电)
  • Micro-USB 电源接口
  • 树莓派 40-pin GPIO引脚
  • CSI 摄像头接口 (仅支持 v1.3)

这里我们准备通过GPIO接口供电,OTG接口连接USB无线网卡与胖哒通讯,搭建Web服务器向LattePanda传输视频流。写这篇文章的时候新版的RPi Zero W(ireless)已经发布,增加了蓝牙无线模块,更加方便,但是我没有,而且很难买T_T

1.2 Zero 供电

“要有电——《创世纪》”

虽然官方仅说明使用Micro USB PWR接口供电,但是使用过程中可以发现OTG接口和GPIO引脚也可以但是不推荐(缺少保护电路)。OTG供电可以参考我之前写的文章《一根数据线玩转树莓派Zero》,不再赘述。因为飞控上不能搞个充电宝弄根数据线,所以准备通过杜邦线连接GPIO接口进行反向供电,这里需要稳定的5v电压,否则可能有损害zero的风险!

如图所示,引脚2接+5v,引脚6接地。

更多讨论与电路原理图等请移步:

当然也可以使用专门的供电拓展模块,比如Pimoroni Zero LiPo

1.3 RPi Camera Module

Zero仅支持RPi Camera v1.3,彼时zero发布时并没有v2的摄像头模块。关于RPi摄像头模块的详细信息务必阅读eLinux的页面

v1.3采用OmniVision OV5647摄像头组件,支持500万像素,实测效果还不错,比较清晰。

需要注意的是,RPi和RPi Zero CSI摄像头接口大小是不一样的,v1.3默认只有适用尺寸较大的RPi接口排线,相用在Zero上的话需要额外购买排线。我是在阿里巴巴上购买的,¥7.5供参考,并额外购买了亚克力支架。

 

1.4 Wireless Communication

因为在室外操作,信号衰减较小,这里我们的方案是otg线+小米随身wifi(采用mt7601u芯片)进行无线传输。使用小米wifi的原因是因为mt7601u功耗很小,稳定性/发热/传输速度距离都可以接受,后期可能会换用模块或者加装天线。

当然也可以选用现成的模块,比如Red Bear IoT pHAT

2. 软件部分

2.1 Zero操作系统选择

操作系统是相当于开车的司机,为zero选择一个合适、方便的系统如虎添翼。由于项目需要,我们选择headless模式进行操作,不需要图形界面,这里讲两个系统:Raspbian和DietPi。

2.1.1 DietPi

一直以来使用的且十分推崇的树莓派操作系统,有些过相关介绍,很久没更新了,现在又增加了很多新特性。其特色包括性能优化,可以快速方便地自动安装配置各种软件,无痛学习上手树莓派,另外作者的脚本写的很棒,可以学到很多东西。

虽然DietPi支持Zero,但是对OTG 虚拟网卡支持并不好,所以最近一直在尝试进行适配,也遇到了很多问题,卡在这里很久,记录如下。

按照《一根数据线玩转树莓派Zero》的方法,分别更改boot分区下cmdline.txtconfig.txt文件,启用usb gadget ether功能,并在/etc/network/interfaces里预增加usb0虚拟网卡相关设置文件。使用MicroUSB连接Host后,正常上电可以识别到LAN连接,但是

  • 使用ssh登录zero,即使开启了网络共享zero也无法上网;
  • windows可以ping通zero,反向ping则无响应。

以上问题在使用Raspbian Lite时并不存在,经群里枫大的提醒,使用Wireshark软件进行局域网抓包分析和USB2TTL串口模块直接调试的方式寻找分析问题。结果如下:Wireshark可以捕获主机ping zero的ICMP协议包,反向无任何响应。最后尝试关闭Windows防火墙解决,怀疑是Raspbian正常使用,没有测试ping命令,所以默认为无需关闭防火墙,这里绕了很大弯路。

注意,开启网卡混淆模式进行监听数据包时,ping命令会返回(DUP!),提示数据包重复。

此时仍然无法上网,ping www.baidu.com提示unknown host,直接ping IP地址ok,cat /etc/resolv.conf没有发现正确的DNS服务器地址。手动在interfaces文件增加dns-nameservers 114.114.114.114后解决,可以正常联网并更新系统。

注意,插拔zero后可能会无法联网,此时关闭|重新开启主机网卡网络共享稍等即可。

完成以上设置之后,安装Lighttpd网页服务器、php等之后,重启失败,串口无任何输出。如此这般,屡试不爽。长久的沉默与崩溃,遂放弃。经历阅读DietPi脚本源码,完善修改相关设置,查看了很多Gadget相关驱动说明和其他文档资料,都准备向github上提交commit了,然后又回到原点,个中滋味,百般无奈,于是怒打了几把王者荣耀平复心情。。。话说之前玩DOTA的,对王者荣耀这种小学生游戏嗤之以鼻,某日和师弟们玩了下,发现我凑上瘾了—

注意,使用otg时推荐使用Raspbian,在正式环境(GPIO供电+USB无线网卡),DietPi是没问题的。

2.1.2 Raspbian Jessie Lite

平复一下心情之后,我们回到树莓派基金会官方推荐的Raspbian Lite,无图形界面,没有预装各种Bloatware。之前的文章是以此为基础进行演示的,各方面比较完善。安装使用过程中比较顺利,这次没有出什么幺蛾子了,泪目。。。

2.2 RPi Cam Web Interface

Camera 图像传输与控制首先想到的是使用RPi Cam Web Interface来管理Camera和传输图像:

Web based interface for controlling the Raspberry Pi Camera, includes motion detection, time lapse, and image and video recording。控制树莓派摄像头的网页前端,支持motion运动检测、定时拍摄以及图像、视频录制。

项目架构如下,主要包括motion——负责运动检测、raspimjpeg——图像捕获与视频流传输、Web Server (Apcahe|Ngnix|Lighttpd)——网页控制界面。受限于zero的性能,以及并不需要多少高级特性,这里Web Server选用更轻量的Lighttpd。

原本执着于DietPi就是因为可以一键安装配置好各种软件,RPi-Cam-Web-Interface也在其中。因为存在问题没解决,所以按照Daniel Knight的脚本手动操作,仍然失败。。。最终在Raspbian上按照官网的方法安装成功。

  1. 启用RPi Camera:sudo raspi-config命令
  2. 正确连接Camera:金手指朝下(LattePanda也是如此)
  3. 安装RCWI:
# 更新系统并安装git 
sudo apt update && sudo apt dist-upgrade && sudo apt install git 
# 下载源码并进行安装 
git clone https://github.com/silvanmelchior/RPi_Cam_Web_Interface.git 
cd RPi_Cam_Web_Interface 
chmod u+x *.sh sudo 
./install.sh

期间会跳出一个命令行对话框:

使用Backspace键删除,无法使用Del。如图所示,则可以通过在浏览器里输入[pi_ip]:80/rcam访问Web Interface,且开机自动运行。这里[pi_ip]填入树莓派的ip地址,我这里是192.168.137.2

注意:

  • 关闭camera上的红色led可以在/boot/config.txt文件增加disable_camera_led=1
  • 只想要最简洁的图像界面可以访问[pi_ip]/rcam/min.php

Zero 图像传输部分

分别是a. OTG线+USB无线网卡(RT3070为例,小米WIFI没找着); b. Zero本体; c. RPi Camera + 排线; d. CH340G TTL转USB模块,可以进行调试同时通过GPIO引脚为树莓派提供5v供电。正式版仅需要两根线为Zero供电即可。

LattePanda 获取Zero实时图像(网页)

帧率和清晰度都相当可以,拍得比较糊,大家凑合着看,看不清的想象一下。只需要在LattePanda里打开网页,地址填[pi_ip/dietpicam]即可。注意在System里设置为Default Steam比MJPEG Steam流畅。

移动设备获取Zero实时图像(网页)

和PC版基本相同,注意似乎同时只支持串流到一个设备。

移动设备获取Zero实时图像(APP)

这里可以使用免费版的IP Cam Viewer Lite(支持Android和iPhone),当然你也可以购买Pro版,不过Lite版足够使用了。ICVL内置支持RPi-Cam-Web-Interface,如图添加摄像头,修改相关参数。

PC软件获取Zero实时图像(待补充)

因为RPi-Cam-Web-Interface支持视频串流,我们可以使用VLC或者自己写软件(比如QT编写的图形界面程序)直接播放视频流,由于遇到一些问题,后面再完善相关内容。

总结

以上通过多种方式获得树莓派Zero传输过来的实时图像,并且清晰度和帧率都相当不错,符合我们的项目预期。在室外可以让树莓派或者LattePanda建立无线热点,提供两者通讯的手段,当然,WiFiDirect也可以,待求证。

进一步阅读

  • 模块成品化比较高的Pi Cam by WMAGNER|hackmypi.com
  • 给大家讲讲什么是FPV|tieba

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