Модуль связи Clover Swarm ESP-NOW

Комплексная система коммуникации для роя дронов на базе протокола ESP-NOW

Обзор системы

Модуль обеспечивает взаимодействие дронов в рое через ESP-NOW протокол. Это готовый "язык общения" для группы квадрокоптеров, чтобы они могли летать вместе, как стая птиц, и не сталкиваться.

Рой дронов — это группа из нескольких дронов, которые летают вместе, общаются между собой и выполняют одну задачу согласованно, как одно целое. Каждый дрон оборудован модулем ESP32, который отвечает за беспроводную передачу пакетов между дронами, в то время как Raspberry Pi управляет полетом и логикой миссии.

Основные возможности системы

Широковещательная передача телеметрии (данные о состоянии дрона: его координаты, высота, скорость, заряд батареи и т.д) в реальном времени
Отправка пользовательских сообщений между дронами ( например, "собраться в круг")
Алгоритмы предотвращения столкновений
Скоординированное роевое взаимодействие
Автоматическое обнаружение дронов в сети

Архитектура системы

Схема передачи данных

Главный компьютер (Raspberry Pi 1) решает, что нужно передать другим дронам. Он отправляет команду ESP32 #1 через проводное соединение UART (очень простой и быстрый кабель для передачи данных).
ESP32 #1 берет эту команду и транслирует ее по протоколу ESP-NOW всем другим модулям ESP32 поблизости.
Другие ESP32, получив сообщение, передают его по проводу UART уже своим главным компьютерам (Raspberry Pi #N). Так команда доходит до другого дрона.

Структура проекта

clover-swarm-espnow/
├── esp/                          # прошивка ESP32
│   ├── src/                      # исходный код
│   │   ├── main.cpp             # основная точка входа в прошивку
│   │   ├── ESPNowManager.cpp    # управление коммуникацией ESP-NOW
│   │   ├── ConfigManager.cpp    # управление конфигурацией
│   │   ├── PacketDeserializer.cpp # утилиты парсинга пакетов
│   │   ├── Statistics.cpp       # статистика сети
│   │   └── telemetry_generator.cpp # Генерация данных телеметрии
│   ├── data/                    # файлы конфигурации
│   │   ├── config.json         # основная конфигурация
│   │   └── espnow_config.json  # специальные настройки ESP-NOW
│   ├── platformio.ini          # конфигурация сборки PlatformIO
│   └── test/                   # тесты прошивки
├── skyros/                      # библиотека Python для Raspberry Pi
│   ├── src/skyros/             # основной исходник библиотеки
│   │   ├── drone.py            # основной интерфейс дрона
│   │   ├── collision_avoidance/ # алгоритмы предотвращения столкновений
│   │   └── drone_data.py       # структуры данных
│   ├── examples/               # примеры использования
│   │   ├── example.py          # базовый пример использования
│   │   ├── complex_example.py  # продвинутая координация роя
│   │   └── example_stress_usage.py # стресс-тесты
│   └── test/                   # тесты Python библиотеки
│       ├── stationary.py       # стационарные испытания дронов
│       ├── stress.py           # стресс-тест сети
│       └── network_performance_test.py # тесты производительности
└── esp_controller/             # Прошивка контроллера ESP32 для OTA

Инструкции по настройке

Прошивка ESP32

Примечание: Данная инструкция предназначена для разработки и обновления прошивки. На предварительно настроенных дронах прошивка ESP32 уже должна быть установлена.

Убедитесь, что дроны выключены перед началом работ

Подключение оборудования Подключите Raspberry Pi UART4 к ESP32C3 super mini UART1:
- TX (RPi GPIO8) → RXD (ESP GPIO3/D3)
- RX (RPi GPIO9) → TXD (ESP GPIO4/D4)
- CTS (RPi GPIO10) → RTS (ESP GPIO5/D5)
- RTS (RPi GPIO11) → CTS (ESP32 GPIO6/D6)
- VCC (RPi 5V) → VCC (ESP32 5V)
- GND (RPi GND) → GND (ESP32 GND)
Сборка и загрузка прошивки
- Загрузка предварительно собранного бинарного файла
  
  Инструмент для прошивки esptool:
```
pip install esptool
```
- ESP32 к компьютеру по USB
- Определите порт:
  - Linux: /dev/ttyACM0, /dev/ttyUSB0
  - Windows: COM3, COM4
  - macOS: /dev/tty.usbserial-*

Прошивка ESP32C3 Super Mini

Сотрите флэш-память:

 esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyACM* erase_flash

Загрузите прошивку (включая загрузчик и таблицу разделов)

 esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyACM0 --baud 921600 \
 --before default_reset --after hard_reset write_flash \
 0x0 firmware_esp32c3_super_mini_prod_merged.bin

Первый запуск (важно!)

При первой прошивке ESP32-C3 может потребоваться до 30 секунд для инициализации файловой системы SPIFFS. Это нормальное поведение — не отключайте питание и не прерывайте процесс.

Настройка Raspberry Pi

Включение UART на Raspberry Pi

Отредактируйте файл: /boot/config.txt:
- В терминале выполните
```
sudo nano /boot/config.txt
```
- Найдите (или добавьте в конец) следующие строки:
```
[all]
dtoverlay=pi3-disable-bt
dtoverlay=uart0,ctsrts
dtoverlay=uart4,ctsrts
enable_uart=1
```
- Отключите Bluetooth используя следующие команды:
```
sudo systemctl disable hciuart
sudo systemctl disable bluetooth
```
- Raspberry Pi командой:
```
reboot
```
Установка Python-библиотеки
```
 cd skyros/
 pip install -e
```
Развертывание на нескольких дронах Для одновременного развертывания кода на несколько дронов используйте Ansible Deployment Guide (инструкции по автоматизированному развертыванию).

Примеры использования

Директория skyros/examples/ содержит примеры для различных сценариев:

Базовое использование (example.py)
- Инициализация дрона;
- Основные команды управления полетом;
- Обнаружение дронов в сети;
- Мониторинг статуса;
- Базовая навигация с предотвращением столкновений
```
cd skyros/
python …
```
Координация роя (complex_example.py)
- Мастер-слейв координация дронов;
- Обработка пользовательских сообщений для скоординированного ;
- Индивидуальный таргетинг и контроль дронов
Стресс-тестирование (example_stress_usage.py) Проверка производительности сети под нагрузкой
- Сценарии координации нескольких дронов;
- Мониторинг телеметрии;
- Отслеживание сетевого статуса;
- Полезно только для отладки и проверки производительности сети.

Ключевые функции:

Обнаружение дронов: автоматическое обнаружение других дронов с помощью телеметрии
Предотвращение столкновений: встроенные алгоритмы для безопасного полета роя
Пользовательские сообщения: широковещательная и целевая передача
Мониторинг сети: отслеживание состояния и производительности в режиме реального времени
Скоординированный полет: синхронный взлет, навигация и посадка

Продвинутое тестирование

Стационарное тестирование (skyros/test/stationary.py)

Используйте для диагностики сетевых проблем:

Подготовка:
- Разместите дроны на маркерах ArUco
- Обеспечьте контролируемые условия
Мониторинг: Тест предоставляет информацию в режиме реального времени о:
- Состоянии сетевого подключения
- Обнаруженных позициях дронов и расстояниях до них
- Расчетах векторов предотвращения столкновений
- Приеме телеметрических пакетов
- Показатели успешности передачи сообщений
Запуск:
```
cd skyros/test/
python3 stationary.py
```
Что показывает тест:
- Измерение расстояний между дронами
- Координаты местоположения всех обнаруженных дронов
- Сетевая задержка и статистика пакетов
- Данные телеметрии в реальном времени
Дополнительные тесты:
- network_performance_test.py — проверка пропускной способности
- stress.py — тестирование под высокой нагрузкой
- esp_simple_test.py — проверка функциональности ESP32

Рой