DIY -drönare: Lektion 7. FPV och avstånd till avlägsnande..

Innehåll

Inledning

De första sex lektionerna undersöker designhänsynen bakom skapandet av en dedikerad flermotorig UAV / Drone. Lektion 7 täcker inte monteringsaspekter, utan beskriver ett antal ytterligare tillbehör / enheter som används för att genomföra första personers flygning (FPV) och fjärrkontroll. Denna artikel är mer inriktad på användningen av radiostyrning i "fältet"; i motsats till att flyga inomhus eller på platser där uttag kan ge ström. Observera att denna handledning endast täcker en mycket liten del information som krävs för att korrekt förstå FPV / Long Range Systems, och är främst avsedd att introducera läsaren till begreppen, termerna, produkterna och principerna bakom FPV och långdistansdrönare.

First Person View (FPV)

First Person View (FPV) är en av de främsta drivkrafterna bakom den snabbt växande populariteten hos flermotoriga UAV: ​​er, så att du kan få en helt annat perspektiv ("fågelperspektiv") av vår planet och själva känslan av flygning. Även om tillägget av en kamera till en UAV inte är något nytt, gör den relativa kontrollen, det låga priset och det stora utbudet av drönare det enkelt att köpa eller bygga en drönare med en kamera.

Förstapersonsvy (FPV) implementeras för närvarande med hjälp av en tandem som är förinstallerad på flygplanet, bestående av en FPV-kamera och en videosändare, vilket gör att realtidsvideo kan skickas till piloten eller assistenten. Observera att det finns färdiga eller halvfärdiga FPV-system på marknaden, där färdiga FPV-system i sin tur ger användaren förtroende för att alla dess element är kompatibla med varandra.

Videokamera

  • Nästan alla videokameror som har möjlighet att ansluta till en videosändare kan användas för att implementera FPV-flygning, så vikt är dock viktigt att tänka på, eftersom flermotoriga UAV ständigt kämpar med tyngdkraften och saknar fördelarna med ett bevingat flygplan för att ge ytterligare lyft.
  • Videokameror finns i en mängd olika former och storlekar, och kan också ha olika möjligheter när det gäller filmkvalitet, men för närvarande är det väldigt få som är anpassade specifikt för UAV. På grund av dessa begränsningar i storlek, vikt och prestanda kommer de flesta kameror som används i FPV-system med flera motorer från såväl "actionkameror" som CCTV och säkerhetsapplikationer (t.ex. dolda kameror).
  • Stora kameror som DSLR (SLR) eller stora videokameror används vanligtvis av proffs, men på grund av sin vikt tenderar den nödvändiga drönaren att vara ganska stor.
  • Vissa videokameror kan drivas direkt från en 5V strömförsörjning (användbart eftersom de flesta flygkontroller också fungerar med 5V när de drivs av en BEC), medan andra kan kräva 12V eller till och med ett eget inbyggt laddningsbart batteri.
  • Den mest populära kameran som för närvarande används på flermotoriga UAV är GoPro. Detta beror på deras hållbarhet, liten storlek, hög video- / fotokvalitet, inbyggt batteri, stort utbud av tillbehör och tillgänglighet över hela världen. GoPro-kameror har också en USB-utgång som kan användas för videoöverföring, och vissa har till och med inbyggd WiFi för videoöverföring över korta avstånd.
  • Med tanke på GoPros framgångar har många andra tillverkare skapat sin egen serie sport- / actionkameror, men specifikationerna, priset och kvaliteten varierar. Observera att om du behöver 3D -video behöver du två kameror och en VTX som kan överföra två signaler.

Gimbal

Gimbal innehåller en mekanisk ram, två eller flera motorer (vanligtvis upp till tre för panorering, lutning och rulle), liksom sensorer och elektronik. Kameran är monterad så att motorerna inte behöver ge vinkelkraft (vridmoment) för att hålla kameran i en fast vinkel ("balanserad").

Axlarna i fråga låter dig panorera, luta eller panorera kameran. Ett 1-axligt system som inte har sin egen sensor kan ses som ett pan- eller tiltsystem. Den mest populära designen innefattar en dubbelmotorinstallation (vanligtvis BLDC -motorer speciellt utformade för användning med kardborre) som styr kamerans lutning och panorering. Följaktligen är kameran alltid vänd mot framsidan av drönaren, vilket också säkerställer att piloten inte är desorienterad om kameran är vänd åt ena hållet och framsidan av drönaren i den andra.

Den 3-axliga gimbalen lägger till panorering (vänster och höger) och är mest användbar tillsammans med två operatörer, där en person använder drönaren och den andra kan styra kameran självständigt. I denna tvåpersons konfiguration kan en andra (fast) FPV-kamera för piloten också användas. Normalt finns det en av två typer av gimbalsystem:

Borstlös gimbal

  • Borstlös likströmsmotor (BLDC) eller Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) eller (Valve Motors (VD))) - Ger snabb respons med minimal vibration, men kräver en separat (och dedikerad) borstlös DC -styrenhet.
  • För att automatiskt behålla kamerans nivå installeras en tröghetsmätningsenhet (IMU), som består av en accelerometer och ett gyroskop, någonstans runt kameran (vanligtvis under kamerafästet) så att positionen för kamera (i förhållande till marken) kan spåras. Avläsningarna från blocket skickas till ett separat DC borstfritt styrkort (ofta monterat direkt ovanför gimbalen) som roterar motorerna så att kameran förblir i en viss orientering trots någon rörelse av drönaren.
  • Själva styrkortet innehåller en inbäddad mikrokontroller. Gimbalens borstlösa DC -styrenhet kan vanligtvis anslutas direkt till kanalen på mottagaren (i motsats till flygkontrollen), eftersom den svarar på förändringar i kamerorientering, inte UAV -orientering, och därför inte beror på flygkontrollen.
  • Observera att eftersom GoPro är en populär actionkamera, är de flesta borstlösa gimbaler utformade för att användas med en eller flera GoPro -modeller (baserat på GoPro -storlek, tyngdpunkt, kameraplacering, etc.). Du kommer också att märka att BLDC -gimbaler nästan alltid har dämpning som minimerar vibrationer som överförs från drönaren till kameran.
  • ​​

RC servo gimbal

  • I hjärtat av RC servogimbal - servodrivningar tenderar att erbjuda långsammare svarstider än borstlösa gimbals och överdriven vibration. Samtidigt är servosystem mycket billigare än borstlösa, och 3-poliga servon kan i de flesta fall anslutas direkt till flygkontrollen, vilket gör att du kan använda den inbyggda IMU i datorn för att bestämma nivån i förhållande till marken och flytta sedan servon.

Videosändare (VTX)

) har en inbyggd VTX, vilket innebär att en separat VTX-eftermontering brukar krävas. VTX: er som används i drönarhobby är populära idag eftersom de är lätta och små. Andra VTX från tredje part kan användas, men i det här fallet finns det några viktiga strömanslutningshänsyn som måste beaktas (kan behöva konfigureras om enheten bara accepterar ström från "Barrel" -kontakten) och ingångsspänningen; Om videoenheten fungerar med en spänning som inte finns ombord på din byggnad, kan du behöva ytterligare elektronik, till exempel en spänningsregulator. VTX: er som inte påverkar dronehobbyn är sällan tillfredsställande när det gäller vikt eller storlek och är vanligtvis inneslutna i ett skyddande fodral (och ibland onödigt tungt).

VTX -effekt

VTX är generellt klassad för en specifik uteffekt, men det ska inte antas att någon kan använda vilken effektnivå som helst på marknaden. Trådlösa frekvenser och effekt övervakas och regleras noggrant, så det rekommenderas starkt att du kontrollerar de trådlösa bestämmelserna i landet där du befinner dig.

Effekten som förbrukas av en VTX påverkar direkt det maximala intervallet för dess signaler. I Nordamerika kräver en trådlös sändare som förbrukar mer än en viss effekt (i watt) att en operatör är licensierad av en amatörradiooperatör (HAM) för att fungera. Till exempel i Kanada krävs vanligtvis en långdistans-FPV-operatör för att klara åtminstone ett grundläggande amatörradioförmågastest för att arbeta med den effekt som krävs för trådlösa långdistansapplikationer.

Om du inte är kvalificerad rekommenderas det starkt att du använder en videosändare mindre än 200 mW för att undvika risken för rättsliga åtgärder (myndigheter kan kontakta dig om din signal stör andra trådlösa signaler).

Ström till VTX levereras vanligtvis av BEC från en av ESC: erna, som också driver resten av elektroniken. Om du misstänker att all elektronik drar mer ström än en BEC kan leverera kan du använda BEC från den andra ESC för att driva VTX. Det rekommenderas inte att använda ett separat batteri för att driva VTX.

VTX -frekvenser / kanaler

De flesta VTX -enheter fungerar med en av frekvenserna nedan. Observera att eftersom du förmodligen redan använder standardstyrutrustning som arbetar med en specifik frekvens, är det klokt att välja VTX så att frekvenserna inte matchar. Om din fjärrkontroll till exempel fungerar med 2,4 GHz bör du leta efter en VTX med en driftsfrekvens på 900 MHz, 1,2 GHz eller 5,8 GHz.

900MHz (0,9 GHz)

  • Lågfrekventa signaler kan lättare tränga in i väggar och träd
  • DIY -antenner är lätta att gör eftersom låga frekvenser innebär stora antenner
  • Bildkvaliteten är inte lika bra som vid 5,8 GHz
  • Kan ha en negativ inverkan på GPS -mottagare
  • Anses som "gammal" teknik
  • Överlag bäst för mellanklass

1,2 GHz (1,2 till 1,3 GHz)

  • Används för långdistans-FPV-flygning eftersom det erbjuder bra avstånd
  • Många olika antenner på marknaden
  • Frekvens som vanligtvis används av många andra enheter
  • Väggar och hinder har större påverkan än lägre frekvens
  • Medel / långt avstånd

2,4 GHz (2,3 till 2,4 GHz)

  • Används för FPV över långa sträckor med få hinder
  • En av de mest använda frekvenserna för För trådlösa enheter
  • Många tillbehör finns (antenner, sändare etc.)
  • Använd inte nära parallella RC -sändare eller andra enheter som kan orsaka störningar.
  • Kan fungera med andra frekvenser, men kommer inte att omfattas av detta avsnitt.

5,8 GHz

  • Perfekt för kortdistansapplikationer
  • Väggar och andra hinder har en betydande inverkan på räckvidden
  • Antenner är små / compact
  • Bäst för FPV i drone racing

Som du kanske har märkt fungerar många vanliga trådlösa enheter på 2,4 GHz (trådlösa routrar, trådlösa telefoner, Bluetooth, garageportöppnare etc.). Detta beror till stor del på att de statliga bestämmelserna i FCC, det är bestämt att frekvensbandet runt detta område inte kräver licens för att fungera; samma för 900MHz, 1,2GHz och 5,8GHz (inom det angivna effektområdet). Det olicensierade frekvensområdet omfattar det så kallade fria ISM-området (från engelska Industrial, Scientific, Medical: industriellt, vetenskapligt och medicinskt område), upptar frekvensbandet: från 2400 till 2483,5 MHz i USA och Europa och från 2471 till 2497 MHz i Japan. Detta innebär att alla konsumenter kan köpa en trådlös enhet som fungerar på en av dessa frekvenser utan att oroa sig för regler eller riktlinjer. Mer information om amatörradiofrekvensallokering finns på Wikipedia.

VTX -kontakter

Inte alla VTX har samma kontakter, så det är viktigt att veta vilken kontakt som är installerad i den valda kameran, och även se om det är möjligt att ansluta och arbeta med den valda VTX. De mest populära kontakterna är komposit, mini / mikro USB och 0,1 "(analoga) kontakter. Det finns ett antal adaptrar / adaptrar på marknaden, till exempel: 0,1 ″ FPV Tx -kontakt - miniUSB för användning med en GoPro -kamera, vilket förenklar användningen av sådana produkter kraftigt.

Vissa VTX -enheter kan också ha en ljudingång, men i de flesta fall kommer ljudet från drivlinan att dränka bort allt ljud du hoppas spela in. Om du behöver ljud, var noga med att placera mikrofonen så långt bort från motorerna som möjligt (det tar mycket test för att hitta den maximala optimala platsen) och välj en kompatibel mottagare.

VTX -antenn

VTX -antenner som används på obemannade flygbilar tenderar att vara antingen "Anka" eller "Piska". Anka -antenner är de vanligaste och har fördelen att de är rundriktade, kompakta, billiga och förblir stationära under flygning på grund av deras lilla profil.

Antennval bör matcha VTX -frekvensen. Högre frekvenser kräver mindre antenner, men överförda signaler har större svårigheter att ta sig igenom hinder. Låga frekvenser är mindre mottagliga för störningar, men kräver stora / långa antenner. En riktningsantenn används inte särskilt ofta för videoöverföring, eftersom UAV faktiskt kan vara i vilken orientering som helst i tredimensionellt utrymme. Helst bör antennen vara placerad någonstans på UAV, där det inte finns några källor till andra trådlösa signaler eller elektriska störningar.

Videomottagare (VRX)

Videomottagaren tenderar att vara något (fysiskt) större och tyngre än VTX eftersom mottagaren är vanligtvis stationär (ansluten till en skärm) medan sändaren är monterad på drönaren och som sådan bör vara liten och lätt. För att spara utrymme innehåller vissa LCD -displaytillverkare trådlösa standardfrekvensmottagare i sina skärmar.

Många FPV -entusiaster använder Clover Leaf- eller Pinwheel -antenner på sina FPV -glasögon, vilket gör att de kan orientera huvudet i drönarens riktning för att maximera signalstyrkan. Vissa FPV -glasögontillverkare har också stött denna trend och har börjat inkludera en trådlös videomottagare och antenn i paketet med sina glasögon.

Uppenbarligen måste frekvensen vid vilken videomottagaren arbetar matcha sändarens frekvens. Vissa mottagarmodeller erbjuder dock en mängd olika kanaler (en i taget) vilket gör dem kompatibla med en mängd olika VTX. Videomottagarens utgång tenderar att vara antingen komposit (vanligast) eller HDMI. Vad du ska ansluta till utgången (videodisplay) är upp till dig, och några av alternativen beskrivs nedan. Att driva en mottagare i fältet innebär alltid att man använder ett batteri som antingen ger en utspänning som matchar mottagarens driftspänning, eller ett batteri som är anslutet till en spänningsregulator för att ge den nödvändiga spänningen. Observera att det inte finns några ”långdistans” -mottagare eftersom signalområdet beror på sändarens effekt och rätt antenn.

Antenn för videomottagare

Antenner som används på videomottagare kan vara rundriktade (kan ta emot en signal från vilken riktning som helst) eller riktad. De vanligaste antennerna som finns på en videomottagare är: Anka -antenn, Cloverleaf / Pinwheel eller, i sällsynta fall, riktning (t.ex. "Yagi"). En riktningsantenn är endast relevant när UAV: ​​n flyger i en viss riktning i förhållande till operatören, och drönaren kommer alltid att vara "framför" antennen för att inte tappa signalen. Situationer kan innefatta att utforska ett specifikt område (t.ex. ett fält) eller ett område som är avlägset från operatören.

Videodisplay

LCD -skärm (LCD -skärm)

  • När du överväger en LCD -skärm, det är viktigt att veta skillnaden mellan en stationär / dator LCD -skärm eller LCD -TV och en som är avsedd att vara bärbar. En TV / datorskärm har nästan alltid en strömkontakt som är kompatibel med en vanlig datorkraftkabel (drar nätström direkt), vilket gör det mycket svårt att använda med ett batteri. LCD / OLED -displayen, som borde vara mer portabel, drar ofta likström och kräver en extern transformator för att ansluta till elnätet (A / C).
  • Storleken, uppdateringsfrekvensen och skärmkvaliteten på skärmen som används för FPV -applikationer sträcker sig från små bildskärmar med korniga bilder som uppdateras flera gånger per sekund, till stora skärmar som, i kombination med rätt VTX och mottagare, visa stora HD -bilder utan någon uppenbar eftersläpning. Tänk på att vilken 2D -skärm du än väljer måste vara ansluten till en strömkälla och installerad, antingen inuti UAV -basstationen (beskrivs nedan) eller genom att ansluta FPV -monitorn till kontrollutrustningen.

FPV -skyddsglasögon

  • 2D -skyddsglasögon
  • Videokvaliteten som erbjuds av billiga FPV -glasögon kan vara ganska låg, så om budget spelar någon roll, observera att du kan få en bättre upplevelse av en större LCD -skärm för samma pris som FPV -glasögon....

Huvudspårning

  • Huvudspårning är i huvudsak samma som rörelsesspårning, nämligen att mäta 3D -orientering / vinklar i motsats till linjär rörelse. Sensorkomplexet består av MEMS -chips från en accelerometer, gyroskop eller tröghetsmätningsenheter (IMU). Sensorerna är installerade (eller inbyggda) i FPV / VR-glasögon och skickar data till mikrokontrollern för att tolka sensordata som vinklar, som sedan skickar data, antingen genom kontrollutrustning (för avancerade modeller) eller via en separat trådlös sändare. Det perfekta huvudspårningssystemet är kompatibelt med sändaren, så vinklar kan skickas med sändaren på två lediga RC -kanaler.

3D / Virtual Reality

  • Occulus Rift, Samsung Gear, Morpheus, smartphone-baserade VR-glasögon och många andra 3D / Head -monterade VR -skärmar kan anpassas för användning med drönare. Även om dessa enheter vanligtvis är byggda för 3D-PC / konsolspel eller som ett alternativ till TV, är dessa enheter inbyggda 3D-kompatibla och har ofta head-tracking-sensorer inbyggda och blir mer och mer intressanta för drone FPV-gemenskapen.

Smarta enheter

  • Smartphones, surfplattor eller bärbara datorer kan användas för att visa livevideo. Deras batterier är inbyggda och själva enheterna är lätta. Svårigheten att använda smarta enheter ligger i det faktum att de flesta mottagare inte är utformade för att ta emot en videosignal från en trådlös videomottagare (en av de två är trådbundna eller trådlösa). En bärbar dator eller surfplatta med inbyggt eller USB-grafikkort kan ta emot normal kompositvideo. Smarttelefonen fungerar för närvarande bäst med video som skickas via Wi-Fi (från kamerans Wi-Fi till Wi-Fi-adaptern). Att använda GoPros Wi-Fi-videosignal och mobilapp är ett av de enklaste sätten att implementera FPV, men det är värt att notera att kamerans Wi-Fi-signalområde är mycket begränsat (10-20 meter). Eftersom smartphones är utbredda och drönare är alla ilska, släpper tillverkarna regelbundet nya produkter som de har nytta av, så tänk noga innan du bestämmer dig.

On Screen Display (OSD)

  • On Screen Display (OSD) gör att piloten kan se olika sensordata som skickas från flygplan. Ett av de enklaste sätten att visa data på skärmen är att använda en analog utgångskamera och placera ett displaykort mellan kamerans utgång och VTX. OSD -adapterkortet har ingångar för olika sensorer och överlagrar data på video, så piloten kommer att ta emot en video med telemetradata som redan är överlagda.

Avståndshänsyn

  • om sändarens effekt (styrutrustning, samt video, om tillämpligt). Normalt inkluderar RC -sändare ett RF -system som består av joysticks och switchar, elektronik och en RF -sändare och billigare RC -komponenter, detta system är nästan alltid en enda enhet. Modeller med högre kvalitet har ofta en RF-modul

Effekt

UAV / Drone

Din UAV / Drone består av många olika delar, var och en kräver en specifik spänning. Den vanligaste elektroniken som du hittar i ett FPV-system eller en långdistansdrönare inkluderar:

  1. Motorer: De flesta medelstora UAV-motorer tenderar att fungera med 11,1 V eller 14,8 V.
  2. Flygkontroller, mottagare, GPS: helst bör de drivas av BEC från en av ESC: erna.
  3. Head tracking -mottagare: det fungerar också från BEC.
  4. Servogimbal: En servogimbal kan drivas från en av BEC: erna till ESC och fungera vid 5V.
  5. BLDC -gimbal: Vissa BLDC -gimbaler kan anslutas till huvudbatteriets laddningskontakt, medan andra kan kräva en viss spänning. Kontrollera specifikationerna för gimbalen du köper.
  6. Kamera: Kameror som används för FPV -flygning tenderar att fungera vid 5V (från BEC) eller 12V (huvudbatteri). De flesta actionkameror har sitt eget inbyggda batteri.
  7. VTX: De flesta fungerar med 5V och kan drivas av BEC.
  8. Ytterligare elektronik (belysning, fallskärm, etc.): 5V.

Det rekommenderas att UAV bara har ett huvudbatteri och du bör överväga att använda ett 11.1V eller 14.8V batteri på en medelstor drönare. Om mer än en ESC inte har BEC behöver du en extern 5V spänningsregulator för att driva elektroniken och se till att den kan leverera tillräckligt med ström för allt.].

​​
  1. Bärbar styrutrustning: De flesta fjärrkontroller drivs som standard av "AA" -batterier (4 × AA eller 8 × AA), men FPV kan kräva extern batteri för att utrustningen...]. Alternativt kan du driva det med ett externt uppladdningsbart batteri som driver fjärrkontrollen.
  2. Head tracking -mottagare: Vanligtvis kan denna enhet drivas från 5V.
  3. Videomottagare: De flesta kräver 12V, men har ofta ett ganska brett ingångsspänningsområde. Oftast kommer mottagaren med en nätadapter som du inte kommer att använda i fältet. Kontrollera ingångsspänningsområdet för att se om du kan använda samma spänning för att driva sändaren och mottagaren (t.ex. 7,4V eller 12V).
  4. Videodisplay: Var noga med att välja en bärbar LCD -skärm med en "Barrel" -kontakt så att du kan använda batteriet för inmatning. FPV -glasögon har vanligtvis också en Barrel -ingång, men glöm inte att kontrollera. Den vanligaste spänningen för bärbara LCD -skärmar är 12V, vilket kanske inte är det bästa för andra enheter.
  5. Antennspårare: Beskrivs nedan. Denna motoriserade enhet består ofta av radiostyrda servomotorer, en mikrokontroller och ytterligare sensorer / elektronik. Det finns väldigt få kommersiella system tillgängliga för hobbydronmarknaden, så om du designar och bygger ett sådant system måste du utveckla en power setup.

Basstation

Som nämnts ovan finns det mycket utrustning som piloten behöver bära och driva, och som kan vara mycket skrymmande. Basstationer används ofta för att befria operatören från denna börda / förvirring och kan bestå av valfritt antal olika utrustningar och fack som anges nedan. Det är inte svårt att föreställa sig att resultatet av förberedelserna för flygningen beror på hur väl basstationen är monterad, kablarna som förbinder alla dessa enheter läggs.

Basstationen kan innehålla:

  • Huvudbatteriet, eventuellt för att driva LCD -skärmen och / eller FPV -glasögon och eventuellt en videomottagare.
  • Hjälpbatteri för sändare och / eller videomottagare.
  • LCD -skärmfäste och / eller FPV -skyddsglasögonfäste.
  • Fäste för videomottagare.
  • Lagringsutrymme för kontrollutrustning.
  • Långdistansantennfäste (eller plats för en bärbar riktad antenn)
  • En plats för en laddare för huvudbatterierna.
  • Utrymme för reservdelar till drönaren (propellrar, motorer, batterier, ramelement).

"Basstationen" är inte nödvändigtvis en kommersiellt producerad produkt som lätt kan användas med alla obemannade applikationer, tvärtom, den kan designas och byggas av en amatörpilot på egen hand. Att bygga en basstation börjar vanligtvis med att välja en hållbar väska (t.ex. en Pelican eller Nanuk), även om en styv ryggsäck också kan användas / anpassas. Ofta används ett stativ för att montera antennen högre från marken.

Antennspårare

Antennspårare är en elektromekanisk enhet som spårar positionen för en drönare i tredimensionellt utrymme med hjälp av GPS-koordinater, och som känner till GPS: ns plats tracker, riktar antennen till sidodrönaren. Antennspårare används vanligtvis vid långdistansuppdrag och det finns inte många kommersiella produkter på marknaden. Spåraren består av en GPS -mottagare, en kompass (och ibland en IMU), en mikrokontroller, en datamottagare (för att ta emot drönarens GPS -koordinater), en roterande och en tiltmotor, en mekanisk ram, en riktningsantenn och ett batteri. För att minska den negativa påverkan av hinder, lyfts antennspårningssystemen från marken med hjälp av ett stativ.

.