業余組裝:穿越機


一直想擁有個航拍機,一開始只要帶有航拍的關鍵詞的都是各種型號的DJI,好貴啊,隨后深入了解了下,原來我自己所看到的十分震撼的視頻,其實並不是DJI航拍機拍出來的,而是另外一個領域——穿越機拍攝的,那么穿越機究竟是什么東西?這個玩意和DJI有什么關系?並且DJI推出的FPV又是什么呢?

以下是我略微了解了之后,得出的一些認知,如有錯誤,勞煩指出更改。

航拍機多為多旋翼飛行器(四軸飛行器),搭載了很多傳感器,氣壓傳感器,激光傳感器,光流傳感器,雷達及其GPS等,可以做到精准的定位,迅速避障,自主導航,穩定定高,超級穩定的拍攝,即使有風也不能動它絲毫,它在穩定方面穩如老狗,並且續航上相對長久,高度集成人性化的UI,可以讓一個完全沒有經驗的人上手,也不用擔心無法操控或者失控 ,優秀的算法配合傳感器可以讓操作者輕易上手且不易炸機,其實在瀏覽DJI官方網站的時候,也意識到,無人機可以代替人類做很多事情,首先在農業領域:植保機、農田檢測機,攝影領域:航拍機(甚至可以搭載直播,很多電視頻道的空中景象都是使用航拍機),還有一個十分重要的領域——勘測,無人機搭載各種傳感器可以在空中記錄下面的各種地形等數據,可以為勘測帶來很多便利,最新的DJI提供的技術可以做到,無人機飛完某個區域,可以直接獲得該區域的3D測繪圖,這點讓我大為震驚。(以下展示無人機均為DJI)

植保機:

航拍機:

 

 

 

 

測繪機:

當然這以上的各種無人機,都是專業(昂貴)的,並且各有側重點,那么接着說,穿越機又是個啥玩意,它的側重點是什么?

我相信很多人都聽過航模,那種在天上飛,看着很好玩的玩具,沒錯,穿越機就屬於航模的一部分,也屬於四軸飛行器,穿越機又稱為FPV(First Person View)就是第一人稱主視角,它通過將攝像頭安裝在無人機的前端,操作者通過穿戴一個類似頭罩(眼罩)的東西獲得沉浸式的第一人稱視角,同時操作無人機進行種種姿態改變。

這里和商品化的無人機有很多不同點:首先,穿越機並沒有搭載各種各樣的傳感器,所以!!!並不能定高,注意不能定高,不能避障!!!不抗風!!而且由於沒有速度限制,很容易對人,對物體造成嚴重的傷害,它是十分危險的;其次,穿越機的操作模式不同於普通無人機,它擁有獨特的操作邏輯,由於沒有定高,所以遙控器的任何調整會讓飛機靈敏的反應,由於沒有避障和不抗風,所以高度,機身的傾斜等,都需要飛手自己去修正,它也不會自動保持水平,當飛手操作穿越機前進的時候,即使接下來飛手不繼續任何操作,穿越機依舊會保持之前的狀態,也就是——持續向前,它並不會停止;沒錯,穿越機的操作邏輯是完全的手動,飛控並不會對飛機的姿態做出多余的調整,它只會保持之前的狀態,所以操作難度十分高,用遙控車來舉例子就是:當你按下前進的時候,遙控車會一直前進,即使你松開了前進的按鍵,它依舊會前進並且絲毫不減速,它會保持你松手前的速度,當你按下左轉的時候,遙控車左轉,即使你松開了左轉,它還會繼續左轉,直到你按下右轉去修正方向,遙控車可以看作是2維的平面,而無人機加上高度處於3維平面,意味着,操作者(飛手)需要同時對速度(高度)、橫滾、俯仰同時進行修正(這些修正如果全部讓飛控來完成,那就成為上述的各種商品化無人機,一想到那些各種各樣的傳感器在操作系統中的復雜算法,我頓時理解為什么上面的無人機賣的那么貴),而這些修正的數據,全部只能參照小小的第一人稱攝像頭返回的小畫面,操作難度可想而知。

所以當我了解到這些的時候,其實我是很想放棄的,但是,怎么能輕易退縮呢?而穿越機就是這樣的,不能說因為不想開手動擋就放棄汽車吧,於是我開始從廣義嘗試切入FPV這個新的領域:

首先是飛機長啥樣:

簡單來看,由於航模並不屬於出售類商品,並沒有封裝的很嚴格,所以各個模塊都是可以進行拆解更換的,換一種說法就是,它擁有非常高的DIY空間。

飛機的組成有以下幾部分:

機架:多半為碳纖維打印機架,硬度和強度都中規中矩,另外可以通過3D打印增加各種各樣的配件,如機臂保護套,相機座等(顏色眾多,非常好看)。

電機:多為無刷電機,也有不少為空心杯電機,不過穿越機領域公認的,空心杯電機動力不足,好的穿越機都使用無刷電機,根據飛機大小有各種型號。

飛控:飛行控制系統(開源飛控)就運行在此,主控多采用STM32F405,也有F411,F722,還有算力更加強的H7系列,也有基本上淘汰的F3系列飛控。

電調:有分體電調和四合一電調,根據電機的型號有不同的電流分為15A、20A、30A等。

電池:根據電調和電機的不同分為了1S、2S、3S、4S、5S、6S電池。

攝像頭-圖傳:圖像傳輸系統,需要通過圖傳眼睛進行接收圖像,大體分為數字圖傳和模擬圖傳,分別對應下面介紹的兩款眼鏡,模擬圖傳畫質就像是360P的老電視,還伴隨有各種干擾產生的噪點和條紋,數字圖傳則是進化為720P的高清時代。基本上的頻率范圍都在5.8GHz。

接收機:人如其名,接收遙控器的信號(不同廠家不同協議需要不同接收機)並傳遞給飛控,通常的頻率范圍在2.4GHz,也有915和868頻段的,最近由於LORA的開源發展,出現了很多開源接收機。

天線:2.4、5.8、915不同頻率的天線是不一樣的,上圖中后面那個很高的圓柱形的棒棒就是5.8GHz的天線。

遙控器:基本上都是STM32主控搭載NRF2401,或者CC2530類的2.4GHz射頻發射模塊,使用OPEN TX(開源)操作系統,並且根據各個廠家研制的不同協議配對於不同的接收機。

FPV眼鏡:

模擬(公認最好的眼睛:肥鯊HDO2+RF接收機):

數字(我只能說DJI牛逼):

以上這樣的東西,就可以組裝一台可以飛的穿越機了,了解了這么多,接下來就開始逐一進行深入學習:

開源飛控:

世界上有很多優秀的開源飛控項目,以下舉幾個例子:

Cleanflight、betaflight、Baseflight、MultiWii、crazyflie、paparazzi、fprime、ardupilot、PX4等

而穿越機所使用的飛控是 betaflight ,通過GitHub可以獲得它的源碼

The Betaflight Open Source Flight Controller Firmware Project · GitHub

接着源碼有了,硬件也需要,開源的F4V3飛控:

F4V3飛控: 制作F4V3飛控的所有資料#betaflight#F4飛控 (gitee.com)

然后是熟悉的嘉立創打板,買元器件,焊接就可以得到飛控硬件,其實在制作硬件的時候,上述網站給出了固件,可以直接燒錄,其實固件就是源碼編譯出來的HEX文件,這對於使用過STM32的同學們應該十分敏感

使用DFU刷寫betaflight固件教程 - 嗶哩嗶哩 (bilibili.com)

那么既然使用的是STM32那么就意味着可以使用ST-LINK,關於DFU刷寫固件,我是第一次了解到還有這種方法,緊接着,ST還推出了STM32CubeProgrammer,這又是一個新坑,之后有時間再繼續深入學習。

說到這個F4V3飛控,我不得不感慨萬千,由於stm32不斷的漲價,原先20r的F405價格已經翻番,所以的店鋪都或多或少漲價,而且一而再再而三缺貨,芯片缺貨,不知道我們什么時候才能走出這樣的困境。

機架:

穿越機是分了很多尺寸,列舉一些:

室內的小飛機:MOBULA6、MOBULA7;3寸:Johnny 3;5寸:GEPRC Mark 4;涵道機:Cloud149   等。

穿越機機架也分了幾種類別:花飛機型(可以做出翻滾等各種花式飛行,可以帶運動相機進行花式拍攝),遠航機型(可以飛到十幾公里的機型,帶有GPS可以救援返程),涵道機型(螺旋槳周圍帶有一圈保護套,飛行平穩,可以帶運動相機進行相對穩定的拍攝)

首先要確定機架,為后面電機和其他配件進行確定,由於我想使用焊接的F4V3飛控,而這個飛控的孔距是30.5的,於是優先考慮了5寸機,最終選擇了J5。

電機:

很多淘寶上賣的小飛機是空心杯電機,而主流穿越機都上的是無刷電機,無刷電機比空心杯更加有力,且輸出響應更快速,於是我選擇了無刷電機,另外在電機有個數據,KV值,它表示電壓每升高1伏,轉速增加的數值,小飛機的無刷電機有19000KV、24000KV的,而大的5寸機型則是2300KV左右,KV值高的電機,由於其轉速較高,適配小的螺旋槳,減小負荷,防止電流過大,所以多用於小飛機或者涵道,而KV值低的,由於其轉速低,扭矩大,適合大的螺旋槳,可以承載大負荷和電流,輸出更大的功率,無刷電機的電壓范圍很廣泛,適配電池也是分為了1S,2S,3S,4S,5S,6S等,當然這個也和電調有關,電機和電調共同決定了使用什么電池。

穿越機電機參數的講解,以及選擇方法 - ovonic電池

電調:

電調分為分體電調和四合一電調,以前曾經在實驗室用51帶過分體電調用於一個多軸飛行器電機改裝的風扇,但是當時只是能用就行,沒有細細了解,沒想到現在又一次接觸到,FPV的電調的協議都是Dshot600,電調相關資料搜集的不是很多,但是選擇上倒是稍微有跡可循:

FPV電調如何選擇?這幾個參數很重要 - ovonic電池

由於我采用的5寸的飛機,所以選擇了40A的電調。

電池:

由於是第一次飛,我一直在猶豫是不是應該買6S的電池,最終還是選擇了4S 100C 1550mAh的電池,這其中S數代表有幾片單片電芯,4S表示有4片,其中單片電芯的標稱電壓是3.8V,滿電電壓為4.35V,4S的電池也就是4*3.8V=14.2V;C數則是放電倍率,是鋰聚合物電池連續放電率和突發放電率的指標,一般來說,越高的C數承載的瞬間電流就越大,也就是突然加速或者轉向會更有力,至於1550mAh則是容量,參考為電池的續航時間。

接着說電池的插頭,這種航模電池已經不是使用T插,基本上都是xt30頭或者xt60頭。和電池有關的自然就是充電器了。

充電器:

市面上流行的充電器多為B3平衡充,但是。。。好丑,加上風評不是很好,而且最大只能沖到3S,但是我的預算不足以購買好的充電器,最后決定購買了Hot RC的充電器,顏值在線,使用了幾次發現還可以,價格十分低廉,十分建議購買,不過最大也只能充到4S。

圖傳:

終於到圖傳了,這玩意真是一個。。。兩級分化特別嚴重的模塊,因為FPV上所有的圖傳無外乎是兩種:模擬圖傳  or  數字圖傳,先說模擬圖傳,它的優點就是便宜,還有延時低,據說只有30ms,數字的話據說是有50ms,不過其實對於肉眼的體驗來說,這點延時應該是分辨不出來的,那既不是模擬圖傳沒有優點了么,有,就是便宜,圖傳的距離狹義的衡量標准是功率,分別有25mw,50mw,100mw,200mw,400mw,600mw,800mw,1w等,功率越高距離越遠,不過廣義來說,實際上和天線增益,環境干擾,電池電量等等多種因素有關,所以僅供參考,試面上流行的模擬圖傳基本上就幾種,熊貓圖傳,rush圖傳,黑羊圖傳,EWRF圖傳,foxeer圖傳等,這些圖傳有一個非常方便的功能,那就是OSD調參,和PITMode模式,好一點的圖傳還有發射機保護,即使忘了插天線也不會燒圖傳,OSD多分為兩種協議:Smart Audio 和 IRC Tramp根據不同圖傳的協議在地面站更換,配置好端口就可以用遙控打桿進行功率頻點頻段的調整了,再也不用擔心受影響和相互干擾了。

接着說數字圖傳,說到數字圖傳不得不說DJI,說到DJI不得不說:DJI nb!大疆的數字圖傳那是有名啊,俗話說得好,“大疆起飛  眾機墜落”,哈哈為什么呢,因為大疆的這個圖傳傳輸的高清的視頻,用過大疆的都回不去了,而且DJI的圖傳占用了5.8Ghz很大一部分頻段,所以當大疆起飛的時候,其他的模擬圖傳都會受到不同程度的干擾,甚至直接無信號,當然還是有不受干擾的頻段的,因為我沒有擁有過DJI,加上身邊也沒人玩這個,就沒具體了解了,當然如果都使用DJI的話,是最多支持8個天空端同時飛行的,大疆的FPV數字圖像傳輸系統絕對是業界標桿,實際上飛機上的天空端售價只有699,但是飛行眼鏡卻有3999,也就是說,接收數字信號然后進行解析的飛行眼鏡的技術含量更高,這里充分感受到大疆的算法有多強,這是一款真正走向世界的圖傳,不過介於還是比較小眾,所以大家可能不是很熟知,不過但凡玩航模FPV的,我想應該沒有人不知道DJI了。

DJI FPV數字圖傳系統 - DJI 大疆創新

 

接收機和高頻頭:

遙控器會將各種操作指令通過發射模塊發射出去,接收機負責接收信號並且通過協議告訴飛控,不過遙控器的輸出功率有限,而且多為2.4GHz,繞射能力不強,距離不夠遠,於是廠家開發出了新的射頻發射模塊——高頻頭,它的功率可以達到2w,距離十分遙遠,業內公認領先的是黑羊高頻頭(Team-BlackSheep CROSSFIRE)頻段是868MHz 或者 915MHz,所以稱為高頻頭,繞射能力十分可觀,距離也十分遠,有大佬可以拉鋸十幾km,穩定性很強,不過近期有一顆新星,那就是基於LORA的ELRS高頻頭,它是開源的高頻頭,並且刷新率高於黑羊,並且價格比起黑羊低了很多,很多玩家都可以自制,也許有時間我也會制作,非常令人高興的是,這款ELRS高頻頭是基於ESP32的,而大家都知道esp32是樂鑫的芯片,又是一國產大廠,這些不用擔心被芯片制裁了,接收機是根據發射模塊選擇的,通常在購買高頻頭的時候都可以加購接收機。

攝像頭:

模擬圖傳的攝像頭嗎,要我說的話其實區別不是很大,因為畫質也就那樣子了,不過對於有夜晚想去飛行的飛手來說,平頭哥是當仁不讓的選擇,它對夜晚的算法不錯,噪點很少,不過如果有預算,還請直接DJI。

 

暫時先寫道這些,之后再繼續更新


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