컵드론 멀티콥터 펌웨어 분석 (http://oroca.org)

1. 컵드론 펌웨어 분석
2015. 3. 28. 조한철(바람)

2. 목차
 펌웨어 History
 SmartRover App
 개발 환경
 이클립스 IDE
 아두이노 IDE
 펌웨어 구조
 폴더 구조
 통신 구조
 제어 구조

3. 펌웨어 History
 CupDrone 펌웨어
 Multiwii 기반의 코드를 사용한 SkyRover Nano 프로젝트와 F/W 동일
 센서 수량 및 일부 하드웨어 변경됨
Multiwii 2.3
Arduino
AVR
SkyRover
Nano
+
Flexbot 통신
I/F
Afroflight32
GCC
STM32F103 부트로더 추가
+ +
FreeRTOS 적용
USB 통신
+
LCD Lib
(u8glib)
+
CupDrone

4. SmartRover App
 컵드론 조종을 위한 안드로이드 App으로 기존의 Flexbot오픈 소스를 수정함
 Google play에서 “SmartRover”로 검색하여 설치

5. 개발환경 – 이클립스 IDE
 펌웨어 컴파일/편집을 위해 이클립스 IDE환경 사용
 설치방법
 Java SE (JDK) 설치
 http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html
 Eclipse IDE for C/C++ Developers 설치
 https://eclipse.org/downloads/
 GNU ARM Eclipse Plug-in 설치
 Eclipse 실행 후 Help->Install New Software->Add 선택 후
내용 입력
Name : GNU ARM Eclipse Plug-ins
Loc : http://gnuarmeclipse.sourceforge.net/updates

6. 개발환경 – 이클립스 IDE
 GNU ARM Eclipse Plug-in 설치
 GNU ARM C/C++ Cross Development Tools 선택 후 설치함

7. 개발환경 – 이클립스 IDE
 ARM GCC 설치
 GNU Tools for ARM Embedded Processors
 https://launchpad.net/gcc-arm-embedded 각 플랫폼에 맞는 버전
다운로드 후 설치
 최종 설치 옵션에서 Add path to environment variable 선택

8. 개발환경 – 이클립스 IDE
 Cross Build Tools 설치
 http://sourceforge.net/projects/gnuarmeclipse/files/Build%
20Tools/ Cross Build Tools.zip 다운로드
 파이명 변경
 파일 복사
 C:Program FilesGNU Tools ARM Embedded4.9 2015q1bin
에 3개 파일 복사

9. 개발환경 – 이클립스 IDE
 소스코드 다운로드 (github.com/oroca)
 File->Import 선택
 URI : https//github.com/oroca/SkyRover_Nano 입력

10. 개발환경 – 이클립스 IDE
 소스코드 다운로드 (github.com/oroca)
 Clone URI 선택
 Import existing projects 선택

11. 개발환경 – 이클립스 IDE
 소스코드 다운로드 (github.com/oroca)
 SkyRover_Nano 프로젝트 선택

12. 다운로드 Tool
 STM32LD_GUI
 STM32F 계열의 부트로더 프로토콜을 사용한 윈도우용 다운로드 프로그램
 사용법 : http://cafe.naver.com/openrt/5943
 소스코드 : https://github.com/chcbaram/stm32ld_gui
 Visual C++ 6.0으로 작성됨

13. 다운로드 Tool
 STM32LD
 컴맨드 방식의 다운로드 프로그램으로 윈도우/맥/리눅스에서 사용가능
 소스코드 : https://github.com/chcbaram/stm32ld
 윈도우에서 컴파일 (cygwin 및 gcc 설치 필요)
 gcc -o stm32ld main.c stm32ld.c main_OpenCM.c serial_win32.c -
DWIN32_BUILD
 맥/리눅스에서 컴파일
 Mac/Linux gcc -o stm32ld main.c stm32ld.c main_OpenCM.c
serial_posix.c
 사용방법
 stm32ld 통신포트 통신속도 펌웨어파일 1
 ex) stm32ld COM1 115200 main.bin 1
 ex OpenCM 보드) stm32ld COM1 115200 main.bin 1 opencm

14. 개발환경 – 아두이노 IDE
 아두이노 개발환경에서 추가 기능 시험가능
 멀티플랫폼 지원되는 1.6 버전에 SkyRover 보드 플랫폼 추가하는 형태
 설치방법
 아두이노IDE 1.6버전 다운로드
 http://arduino.cc/en/Main/Software 에서 Zip파일로 다운로드 후 압축
해제
 SkyRover 보드 추가
 https://github.com/oroca/SkyRover_Ardu 에서 Download ZIP
으로 파일 다운로드
 Arduino-1.6.1/hardware/oroca 폴더에 압축 해제

15. 개발환경 – 아두이노 IDE
 도구->보드->SkyRover 선택

16. 개발환경 – 아두이노 IDE
 파일->예제->SkyRover->예제 선택

17. 펌웨어 구조
 메모리 구조
펌웨어
부트로더
0x08000000
0x08003000
설정 저장
12KB
114KB
2KB
0x0801F800
0x08020000
• 부트로더는 전원 On/Reset시 처음 실행됨
• STM32F103은 EEPROM이 없기때문에 마지막 2KB영역을저장용 메모리로 사용
• 펌웨어 다운로드시 설정값은 유지됨

18. 펌웨어 구조
 폴더 구조
 lib 폴더
 RTOS/주변장치/USB/LCD 라이브러리

19. 펌웨어 구조
 폴더 구조
 obj 폴더
 컴파일시 발생회는 obj파일과 최종 bin 파일

20. 펌웨어 구조
 폴더 구조
 src 폴더
 소스코드 파일
 Thread 폴더
 FreeRTOS의 Thread 함수 모음

21. 펌웨어 구조
 주요 파일
Make 유틸리티를 사용하여 컴파일 및 링크 할 수 있는 정보 파일
스타트업 코드
링커 스크립트 파일

22. 펌웨어 구조
 주요 파일
 main.c
 main함수로 각종 센서 초기화/모터 설정등 수행
 mw.c
 멀티콥터 제어기능 수행하며, 센서/모터제어/통신 수행
 sensors.c
 장착된 센서를 자동으로 찾기 및 센서 데이터 읽기 수행
 imu.c
 가속도/자이로/지자계로 부터 Roll/Pith/Yaw등의 방향 계산
 mixer.c
 제어량값을 각 모터에 배분하는 역할
 serial.c
 멀티위 시리얼 인터페이스인 MSP 통신 기능 수행

23. 펌웨어 구조
 주요 파일
 drv_***.c
 하드웨어 드라이버 파일로 해당 하드웨어 제어를 담당
 drv_timer.c
 CPU의 PWM 타이머 및 포트 정의
 drv_pwm.c
 모터 출력 PWM 구성 정의
 config.c
 내부 FLASH에 저장되는 설정데이터의 초기값 정의
 board.h
 기체종류/사용센서/LED등 보드 관련된 설정값 정의

24. 펌웨어 구조
 함수 호출 구조
 thread 생성
main()
thread_main()
thread_mw()
thread_menu()
thread_lcd()
- 멀티위 제어 기능 수행
- USB를 통한 메뉴 기능 수행
- I2C방식의 LCD 출력 기능 수행

25. 펌웨어 구조
 함수 호출 구조
 thread_mw
hexairbotFrameComplete()
computeRC()
• 블루투스로 조종 데이터가 수신되었는지 검사
• 수신된 조종값(롤,피치,요,스로틀,AUX1,AUX2,AUX3,AUX4)을 rcData[] 배열에 저장50Hz
computeIMU()
• 가속도/자이로/지자계 센서로 부터 자세값 계산
annexCode() • 수신된 조종값 rcData[]의 범위는 1000~2000이며(중립은 1500), 제어범위 값 rcCommand[]에
0~500 값으로 변환
pid_controller()
mixTable()
writeServos()
writeMotors()
• rcCommnad[]값을 기준으로 PID제어에 따른 제어량값 계산
• 기체 종류에 따라 PID제어를 통해 나온 제어량은 모터 PWM으로 변환
• PWM값에 따른 모터 구동
280Hz

26. 펌웨어 구조
 통신 구조
 App에서 MSP 프로토콜로 Roll/Pitch/Yaw/Throttle 데이터 전송
MSP 패킷
annexCode()
serialCom()
evaluateCommand()
serialRead()
명령어 수신시 실행

27. 펌웨어 구조
 MSP 패킷
 멀티위에서 사용되는 시리얼 프로토콜
 http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Multiwii_Seri
al_Protocol
 패킷 구성
 App -> CupDrone
 CupDrone -> App

28. 펌웨어 구조
 MSP 패킷
 데이터 처리

29. 펌웨어 구조
 통신 명령
 CupDrone제어를 위한 주요 명령(serial.c에 정의)
 MSP_SET_RAW_RC_TINY 명령으로 기체 움직임 조종
#if defined(SKYROVER)
#define MSP_SET_RAW_RC_TINY 150
#define MSP_ARM 151
#define MSP_DISARM 152
#define MSP_TRIM_UP 153
#define MSP_TRIM_DOWN 154
#define MSP_TRIM_LEFT 155
#define MSP_TRIM_RIGHT 156
#endif
Roll/Pitch/Yaw/Throttle/Aux 정보
기체 활성화
기체 비활성화

30. 펌웨어 구조
 MSP_SET_RAW_RC_TINY
evaluateCommand()
{
switch( cmdMSP )
{
case MSP_SET_RAW_RC_TINY:
for(i = 0;i < 4;i++)
{
serialRcValue[i] = 1000 + read8() * 4;
}
auxChannels = read8();
…
Index
0 0~250 – Roll 값
1 0~250 – Pitch 값
2 0~250 – Yaw 값
3 0~250 – Throttle 값
4 0~255 – Aux 값
7:6 bit - Aux1
5:4 bit - Aux2
3:2 bit - Aux3
1:0 bit - Aux4
Aux1
- 0 : Headfree Mode Off
- 2 : Headfree Mode On
Aux2
- 0 : 고도홀드 Off
- 2 : 고도홀드 On

31. 펌웨어 구조
 주요 설정
 board.h
 기체 종류 설정(HEX/QUAD)
 사용센서 설정
//#define SKYROVER_HEX
#define SKYROVER_QUAD
#define GYRO
#define ACC
#define MAG
#define BARO
#define ACC_AS_MAG
#define SENSORS_SET (SENSOR_ACC | SENSOR_BARO)

32. 펌웨어 구조
 주요 설정
 config.c -> resetConf()
 설정값 초기화시 데이터
 기체 종류 설정(HEX/QUAD)
 기능 활성화
#if defined(SKYROVER_HEX)
mcfg.mixerConfiguration = MULTITYPE_HEX6; // 헥사콥터
#elif defined(SKYROVER_QUAD)
mcfg.mixerConfiguration = MULTITYPE_QUADX; // 쿼드콥터
#else
mcfg.mixerConfiguration = MULTITYPE_HEX6; // 헥사콥터
#endif
featureSet(FEATURE_SERIALRX); // 시리얼포트로 HexAirBot 인터페이스 수신을 위해
featureSet(FEATURE_MOTOR_STOP); // DC Brushed 모터 사용시 모터 정지시 PWM값을 0으로 하기 위해
featureSet(FEATURE_VBAT); // 배터리 전압체크 기능 활성화

33. 펌웨어 구조
 주요 설정
 config.c -> resetConf()
 시리얼통신 타입 및 모터 출력 설정
 Yaw축 방향 설정
mcfg.serialrx_type = SERIALRX_HEXAIRBOT; // HexAirBot
mcfg.minthrottle = 1150;
mcfg.maxthrottle = 1850;
mcfg.motor_pwm_rate = 1000; // Hz DC 브러시모터는 500 초과값을 설정
cfg.yaw_direction = 1;

34. 제어 구조
 QuadX 모터 방향
 멀티콥터 움직임
 Roll/Pitch/Yaw/상하 움직임의 합의 방향으로 이동
<Roll> <Pitch> <Yaw> <상/하>
+ + +

35. 제어 구조
 모터 제어량
 Roll값이 기울어 졌을때 수평을 유지하기 위해 해당 모터가 빠르게 회전 필요
<Roll>
모터속도 느리게모터속도 빠르게
FRONT_L 모터 제어량 = +1 x Roll기울기값
REAR_L 모터 제어량 = +1 x Roll기울기값
FRONT_R 모터 제어량 = -1 x Roll기울기값
REAR_R 모터 제어량 = -1 x Roll기울기값

36. 제어 구조
 모터 제어량
 Roll/Pitch/Yaw/상하에 대한 모터 제어 방향의 합이 최종 모터 제어값
 mixer.c 에 모터 제어방향 데이터 정의
FRONT_L 모터 제어량 = (+1xRoll 기울기값) + (-1xPitch 기울기값) + (-1xYaw 기울기값)
REAR_L 모터 제어량 = (+1xRoll 기울기값) + (+1xPitch 기울기값) + (+1xYaw 기울기값)
FRONT_R 모터 제어량 = (-1xRoll 기울기값) + (-1xPitch 기울기값) + (+1xYaw 기울기값)
REAR_R 모터 제어량 = (-1xRoll 기울기값) + (+1xPitch 기울기값) + (-1xYaw 기울기값)
static const motorMixer_t mixerQuadX[] = {
{ 1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f }, // REAR_R
{ 1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f }, // FRONT_R
{ 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f }, // REAR_L
{ 1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f }, // FRONT_L
};
Throttle
Pitch
Yaw
Roll

37. 제어 구조
 제어 구조
THROTTLE
ROLL
PITCH
YAW
ROLL측정값
PITCH측정값
YAW측정값
ROLL 오차값
PITCH 오차값
YAW 오차값
PID 제어기
PID 제어기
PID 제어기
ROLL 제어량
PITCH 제어량
YAW 제어량
Mixer
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
목표치 입력 제어기 출력
computeRC( )
annexCode( ) computeIMU( )
pidMultiWii( )
mixTable( ) writeMotors( )

38. 제어구조
 제어코드 예제
roll_error_angle = Sky.cmd_get_roll() - Sky.imu_get_angle_roll();
pitch_error_angle = Sky.cmd_get_pitch() - Sky.imu_get_angle_pitch();
yaw_error_angle = Sky.imu_get_gyro_yaw();
MotorPwm_RearR = Sky.cmd_get_throttle() + (-1*roll_error_angle) + ( 1*pitch_error_angle) + (-1*yaw_error_angle);
MotorPwm_FrontR = Sky.cmd_get_throttle() + (-1*roll_error_angle) + (-1*pitch_error_angle) + ( 1*yaw_error_angle);
MotorPwm_RearL = Sky.cmd_get_throttle() + ( 1*roll_error_angle) + ( 1*pitch_error_angle) + ( 1*yaw_error_angle);
MotorPwm_FrontL = Sky.cmd_get_throttle() + ( 1*roll_error_angle) + (-1*pitch_error_angle) + (-1*yaw_error_angle);
Sky.motor_set_speed_FRONT_L( MotorPwm_FrontL );
Sky.motor_set_speed_FRONT_R( MotorPwm_FrontR );
Sky.motor_set_speed_REAR_L ( MotorPwm_RearL );
Sky.motor_set_speed_REAR_R ( MotorPwm_RearR );
PID 제어기

39. 감사합니다.