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飛行教學——航模FPV低成本技術方案的摸索

2015-07-13 23:50瀏覽數:187

航模領域的FPV是First Person View的縮寫,即“主視角”,它是一種基于遙控航空模型或者車船模型的新玩法。一般的遙控模型都是由操縱者手持遙控器,目視著遠處的模型控制它的姿態,完成各種動作。但是怎樣才能更加刺激和真實的體驗呢?
近幾年隨著電子設備的小型化,我們有機會把無線視頻傳輸設備裝在體積和載重量都非常有限的模型上,從而實現以第一視角操縱模型的方式。所能達到的效果就是你可以身臨其境的以駕駛員的視角操縱你的模型飛機或者賽車翱翔天空和在地面上狂飆而不用擔心危險。這個雖然很有趣,但這并不是什么太新鮮的,因為它在高科技領域早有應用,比如ag真人机 和計算機制導的導彈等等。但是它現在可以很便宜的用在我們DIY的休閑娛樂工具中卻是令人刮目相看的事情。
 目前國內FPV玩家相當的多,通過簡單的改裝,就可以用模型飛機用于FPV,加了平板天線和遙控增程設備,加了OSD導航(顯示電池的電壓,電流,電量)和GPS的定位(顯示起飛的座標和離起飛的距離和方向,高度和速度)和失控返航的設備,讓FPV更具可玩性。
FPV就像航模愛好者邁不過去的坎,既非常向往又難于逾越其中的重重障礙,一旦進入FPV領域就進入了無休止的折騰中,我們希望能摸索一條能低成本簡單化的FPV之路,功能從簡單到復雜,逐步進入FPV的行列。
FPV可以分成飛機端和地面端兩部分,我們來分別探討。
飛機端方案1: 超輕超小的近程FPV方案


哈博森/金星達/偉力V252等的電源是51005插頭規格,優迪U818a等飛行器的是JST插頭規格的
哈博森/金星達/偉力V252等迷你小四軸都非常微小,重量都在50克以內,最多能掛10克的重物,我們成功解決圖傳和動力共電產生干擾的問題,采用5.8G 50毫瓦圖傳模塊,在哈博森H107上實現了FPV飛行,實測圖傳距離在40~50米,實驗非常成功!
FPV組件全部重量僅僅5克!(最新的170度廣角鏡頭版本的也就7克)工作電壓3~5V,工作電流400毫安。基本不影響飛行器性能,接收端采用4.3寸5.8G接收液晶顯示器,采用JST電源插頭,推薦使用2S/1300毫安時左右電池供電,可以全部整合到遙控器上。

飛機端方案2: 5.8G 200毫瓦輕量版5V圖傳四軸FPV方案

對于剛接觸FPV的人來說,都希望擁有一套入門級別的FPV設備,我比較推薦用200毫瓦的設備,很多人以為功率太小,其實200毫瓦的設備只要天線合理、安裝位置科學距離還是不錯的,我曾經用200毫瓦的設備(原裝收發小天線)測試到800多米,當時飛機距離地面150米,其中400米內能看清地面圖像,500米外大致看OSD字符飛的,接收顯示器我是加裝錄像板所以是雪花屏的。
5.8G 200毫瓦圖傳還有個優點是5V供電的,因為耗電小,加攝像頭一般也就400毫安,所以能直接電調的5V供電,做成舵機插頭往接收機的閑置通道內一插就OK了,對于娛樂級別的多軸、電直、或者是小型固定翼來說是非常合理的方案。如果您不喜歡用飛機電調供電,也可以單獨配一節鋰電池供電。
飛機端方案3: 5.8G 300毫瓦商品圖傳+OSD模塊+高清微型攝像頭 FPV方案

300毫瓦的圖傳支持2S和3S電池,傳輸距離我們實際在野外進行地面拉距測試時,地面視距約300米圖像依然清晰穩定,空中能傳輸400~500米,最遠用平板天線飛過1300米,對于普通的固定翼和四軸FPV基本足夠了,如果增加OSD模塊還能同步顯示器飛行器距離、方向、高度、速度等重要參數。

飛機端方案4:5.8G 600毫瓦商品圖傳+高清微型攝像頭 FPV方案


如果你是玩固定翼的,并且飛機上裝了U2S一類的飛控的話,FPV遠航才有可能,5.8G 600毫瓦圖傳是很好的選擇,這套圖傳我們最高飛過1300米,最遠飛過2730米,再遠因為遙控器失控沒法測了。FPV有一個門檻就是從看飛機飛過渡到看屏幕飛,當你真正達到能看屏幕飛時哪個感覺是非常爽的,你控制著飛機在天上到處轉轉,對有興趣的地方轉圈看看,這才是FPV最吸引人的地方,上面的視頻中的飛機就是用這款圖傳。
飛機端遠程方案5: 2.4G 1000毫瓦圖傳+攝像頭+OSD FPV方案

2.4G的圖傳會干擾2.4G的遙控接收,會造成失控,如果客戶的遙控是72M或者433數傳的話(433增程設備是目前的發展趨勢,采用智能跳頻技術,100毫瓦的發射功率可以輕松達到6公里以上的遙控距離)選擇2.4G的圖傳是非常不錯的方案,2.4G圖傳技術最成熟,器材規格品種繁多還非常便宜,傳輸距離也很理想,我客戶曾經用這款1W圖傳傳輸6.8公里,還有客戶用500毫瓦設備曾經達到10公里的FPV記錄,一般遠航時接收一般為大平板天線。
地面端方案1:5.8G 4.3寸一體化液晶顯示器


用顯示器是最方便的,4.3寸的顯示器體積小重量輕,集成5.8G接收模塊采用2S供電,甚至還能固定在遙控上方,這樣您一邊飛行一邊欣賞空中的景色。
地面端方案2:7寸液晶顯示器

7寸的液晶顯示器是非常成熟的方案,既可以固定在遙控器上也能固定在相機三腳架上,三腳架能方便調節高度和角度,配合遮光罩在陽光下能很好的工作,比固定在遙控器上省力多了,可以實現真正意義的FPV飛行。
地面端方案3:5寸高亮度雪花屏 5.8G接收存儲一體機

這款一體機真的非常小巧緊湊,大小和重量和智能手機差不多,它采用TF卡存儲,支持原畫質錄像,錄像重播效果比較理想。這款產品當無線視頻信號弱時屏幕是雪花的,一旦信號良好立即顯示圖像反應很快,是航模FPV愛好者的福音。原配天線接口是TNC的,通過配套的轉接線可以轉成SMA的,可以和四葉草天線配套,提高圖像傳輸畫質。機器自帶音頻播放功能,可以同步傳輸聲音。
地面端方案4:通過USB采集卡用筆記本電腦實時顯示圖像

對于接收端來說,用采集卡方案的話費用比較低,而且還能電腦同步錄像,缺點是筆記本電腦外場使用不夠方便、電腦可能會死機、對電腦的性能配置要求高、圖像色彩沒有顯示器鮮艷清晰、特別是全屏時分辨率也不高。很多模友用一套顯示器進行FPV飛行,另外一套USB采集卡進行同步錄像。
地面端方案5:通過5.8G視頻頭盔顯示圖像
這是我們自行設計制作的FPV專用頭盔視覺系統,能實時看到飛機上傳回的畫面,最大的好處是不受周圍強烈陽光的干擾,轉動頭部可以讓平板始終對準飛機,比三角架+顯示器方案方便便攜。

圖傳系統常見問題和注意事項:
1、要充分熟悉不同天線的工作特性
常見的棒狀小天線的場強分布圖類似一個蘋果,天線指向的位置是信號盲區最弱,增益越高的天線這個蘋果就越扁,所以很多模友發現飛機就在自己周圍飛,顯示器還卻還是不斷的閃,相當的不爽。
比較流行的三葉草和四葉草天線信號分布均勻類似一個球型,基本能保證一定范圍內可靠接收,很多時候都比原裝的棒狀天線表現優秀,其實FPV傳輸距離也不是最重要的,在一定范圍內可靠接收才是關鍵。
平板天線的接收距肯定要比四葉草天線遠,如果是高增益的大平板天線配合高增益棒狀天線是FPV遠航的最佳選擇,距離會有驚喜,平板天線的缺點是需要對準飛機方向,高增益的大平板尤其明顯,我們一般選用小平板,輕便小巧指向性不是特別強使用起來更方便一些,500毫瓦的發射配合小平板天線我們測試也達到過2733米。
三葉草發射配合左螺旋接收天線也是一種很好的組合,它們都是園極化,極化方式相同,螺旋天線實際距離大致是四葉草天線的4~5倍,由于波瓣角度小,指向性很強需要準確對準。
我們目前常用的方法是發射采用三葉草接收采用小平板,實際效果也不錯。無線電理論再強也沒有實際測試靠譜,建議大家多用不同廠家的天線組合試驗,找到最佳方案。
2、圖傳的安裝位置
圖傳的安裝原則是遠離易受干擾的設備如GPS、遙控接收機、舵機等,也要遠離產生干擾的設備如電機、電調,推薦的位置是靠近機尾處,甚至還要遠離機架、碳棒等設備防止天線的分布參數受影響。如果懷疑圖傳安裝位置不合理,可以試驗將圖傳吊在飛機下面30厘米拉一次距離來判斷。
3、天線的安裝位置
天線的安裝原則是飛機在任何時候都要確保發射天線和接收天線之間無遮擋,推薦天線安裝在飛機尾部的最底部,可以垂直指向地面或者水平放置(多做實驗)。
4、圖傳的電源
圖傳和動力電源共電應該是可以的,圖像如果出現網紋、細點、OSD字符跳動等現象說明電源部分沒有處理好,圖傳也可以單獨供電做個拉距試驗。
5、圖傳的功率和高度問題
根據無線電傳輸原理,功率增加四倍,傳輸距離增加一倍,傳輸距離和發射天線的高度的平方成正比,所以你現在知道為啥有些人用200毫瓦也能達到2公里的可能了,圖傳的實際傳輸距離受天氣、無線電環境等諸多因素影響,具有較大的偶然性。
6、圖傳的頻點
一般圖傳都支持8個左右的頻點,通常頻點低時發射功率容易全額輸出,還有三葉草天線一般是按照中心頻點也就是4頻道制作的,建議客戶可以實際試驗。
7、攝像頭的選擇
傳統圖傳分辨率720*576,也就是520線分辨率,真正FPV時在200米高空拍地面都有點灰蒙蒙的(色彩艷麗基本不太可能)圖傳實際能達到的效果僅僅是認路,我認為選擇攝像頭要優先考慮體積、重量、色彩還原度、環境光線寬容度,經過我們反復對比測試推薦兩款:170度超廣角的480線微型攝像頭和140度廣角的700線板狀攝像頭。
8、顯示器雪花屏的問題
很多FPV剛入門的人第一句話就是問顯示器是不是雪花屏,其實這是個誤區,雪花屏在信號時有時無時相對反應快些,其實正常情況下圖傳不應該出現信號時有時無的,很多客戶天線安裝位置有問題,天線會被機身遮擋,這樣飛行器在空中轉圈,顯示器圖像就時有時無,這個時候反復藍屏看著窩火,其實問題關鍵是合理布局天線位置,以我們500毫瓦圖傳為例,一公里內圖像都是不會閃的,再往外跑圖像色彩會變淡,畫面噪點會增多雪花變大,這時平板天線要比四葉草天線好用,對準飛機后還能看到圖像,等飛到1500米以外基本只能看清OSD信息了,但是我們用的顯示器都不是所謂的雪花屏,它們都是按照弱信號雪花,0.5秒以上沒信號黑屏或者藍屏設計的,還有IPS屏的顯示器我們也實際測試過沒太大的優勢,還是選7寸高清高亮屏加深腔形遮光罩實用。
9、圖傳故障排查
圖傳故障排查請按照加法原則處理,也就是先測試圖傳的最小系統,務必把圖傳從飛機上和遙控器上全部拆下來(排除各種可能的干擾)例如:發射機直接接攝像頭單獨用電池供電放在三樓的窗口,然后拿著接收顯示器單獨電池供電往遠處走,一般市區開闊地按照一毫瓦一米的距離來估算,例如200毫瓦圖傳一般能傳輸200米左右,這樣在空中大致能兩倍的距離,這說明圖傳沒問題,然后逐步增加其他設備,比如發射機用飛機電池供電(不開動力)、飛機開小動力測試、接入OSD后測試、發射天線在飛機不同位置測試、顯示器靠近2.4G遙控是否有影響、遙控打開和關閉是否影響、圖傳電源是否足夠等等。

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