无人机飞控、增稳云台、图传模块选型的解读

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一、飞控

  无人机飞行控制系统是指能够稳定无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统,是无人机的大脑,也是区别于航模的最主要标志,简称飞控。

  飞控的作用就是通过飞控板上的陀螺仪,对四轴飞行状态进行快速调整(都是瞬间的事,不要妄想用人肉完成)。如发现右边力量大,向左倾斜,那么就减弱右边电流输出,电机变慢、升力变小,自然就不再向左倾斜。如果没有飞控系统,四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致等原因形成飞行力量不平衡,后果就是左右、上下地胡乱翻滚,根本无法飞行。

  工作过程大致如下:飞控系统实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据,经计算处理,输出控制指令给执行机构,实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制;同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端,经无线电下行信道发送回地面测控站。飞控系统的硬件主要包括:主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等。

  二、增稳云台

  功能:

  稳定平台,对于任务设备来说太重要了,是用来给相机增稳的部分,几千米的高度上误差个几分几秒就能差出去几十米。它主要通过传感器感知机身的动作,通过电机驱动让相机保持原来的位置,抵消机身晃动或者震动的影响。云台主要考察几个性能:增稳精度、兼容性(一款云台能适配几款相机和镜头)和转动范围(分为俯仰、横滚和旋转三个轴),如果遇到变焦相机,就更加考验云台的增稳精度了,因为经过长距离的变焦,一点点轻微的震动都会让画面抖动得很厉害。

  现时的航拍云台主要由无刷电机驱动,在水平、横滚、俯仰三个轴向对相机进行增稳,可搭载的摄影器材从小摄像头到GoPro,再到微单/无反相机,甚至全画幅单反以及专业级电影机都可以。摄影器材越大,云台就越大,相应的机架也就越大。

  上面三个演示的是机身不动、相机动的效果,但实际上云台工作时,是相机不动,而机身动。所以在空中时,无人机的机身不断在动作,云台依然可以保相机镜头的位置,达到增稳的效果。

  分类:

  目前市面上常见的有三轴增稳云台和两轴增稳云台。

  三轴稳定航拍云台是现在主流航拍无人机所采用的航拍防抖云台,如:亿航GhostDrone2.0、零度XPLORER、大疆Phantom3都使用了3轴航拍稳定器的,优点是对航拍时的画面有全方位的稳定,保证画面清晰稳定;而缺点是工程造价较贵,由于电机控制,所以相对会耗电,降低航拍的续航时间。

  两轴稳定航拍云台其实是三轴稳定航拍云台的缩减版,在市场上一些定位在低端产品的无人机所大量采用,原因是两轴稳定器能够降低成本,省去了垂直方向上的稳定补偿,对耗电也会有所帮助。大多航拍用的无人机都是轴对称的结构,而轴对称结构在垂直方向上的晃动都不是太厉害,在大疆Phantom2代中,无人机的脚架是作为天线的作用,在飞行中,不能够收起脚架,而航拍相机的水平转动,会让航拍过程中到无人机的脚架,所以实际的作用并非必要,此类型航拍云台。

  无人机航拍云台上的耗电是影响无人机飞行的一大因素,在稳定云台的电机耗电上,有网友实际测试,在其他因素相同的情况下,在不安装航拍云台下,飞行时间能够长达26分钟,而安装航拍云台后,飞行时间下降至18分钟,安装了云台后下降了30%的续航时间。

  三、图传

  无人机图像传输系统就是将天空中处于飞行状态的无人机所拍摄的画面实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备。

  整个图传工作过程大致如下(以数字图传为例):无人机上挂载的视频拍摄装置将采集的视频信号传输到安装在无人机上的图传信号发送器,然后由图传信号发送器的2.4GHz无线信号(市面上单卖的无人机图传套件有1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz频段可选,抗干扰能力、带宽各有不同)传送到地面的接收系统,由接收系统再通过HDMI传输到显示设备上(显示器或平板电视),或者是通过USB传输到手机与平板电脑上。由此,操控者就能实时地监控到无人机航拍的图像。

  无人机飞行范围有限,过大会遥控信号变差,同时实时高清图传也是个问题。图像传输距离的远近,图像传输质量的好坏,图像传输的稳定性等是衡量无人机图传性能的关键因素。同时图像传输系统的性能是区分无人机档次的一个关键因素。

  现有的图传主要有模拟和数字两种,而其组成部分主要由发射端、接收端和显示端三部分。

  (1) 模拟图传

  早期的图传设备都采用的是模拟制式,它的特点是只要图传发射端和接收端工作在一个频段上,就可以收到画面。

  优点:

  1)价格低廉,市面上的模拟图传发射和接受套装通常在1000元以内

  2)可以多个接收同时接收视频信号,模拟图传的发射端相当于广播,只要接收端的频率和发射端一致,就可以接收到视频信号,方便多人观看;选择较多、搭配不同的天线可实现不同的接收效果;

  3)工作距离较远,以常用的600mw图传发射为例,开阔地工作距离在2km以上;

  4)配合无信号时显示雪花的显示屏,在信号微弱时,也能勉强判断飞机姿态;

  5)一体化的视频接受及DVR(录像)和FPV专用视频眼镜技术成熟,产品选择多;

  6)视频信号基本没有延迟,对于低空高速飞行必备。

  缺点:

  1) 发射、接受和天线的产品质量良莠不齐,新手玩家选择困难;

  2) 易受到同频干扰,两个发射端的频率若接近时,很有可能导致本机的视频信号被别人的图传信号插入,导致飞机丢失;

  3) 接线、安装,调试需要一定经验,对于新手而言增加学习成本;

  4) 飞行时安装连接天线、接收端电池、显示器支架等过程繁琐;

  5) 没有DVR(视频录制)功能的接收端无法实时回看视频,而有DVR功能的接收端回看视频也较为不便;

  6) 模拟图传发射端通常安装在机身外,影响一体机的美观;

  7) 玩家个人安装的图传天线若安装不当,可能在有的飞行姿态下会被机身遮挡,导致此时接受信号欠佳,影响飞行安全;

  8) 视频带宽小,画质较差,通常分辨率在640*480,影响拍摄时的感观。

  适应人群:有一定基础,对穿越飞行等项目热衷的进阶玩家

  (2) 数字图传

  现在厂商所开发的无人机套机通常都搭载了专用的数字图传,它的视频传输方式是通过2.4g或5.8g的数字信号进行。

  优点:

  1) 使用方便,通常只需在遥控器上安装手机/平板电脑作为显示器即可;

  2) 中高端产品的图像传输质量较高,分辨率可达720p甚至1080p;

  3) 中高端产品的传输距离亦可达2km,与普通模拟图传相媲美;

  4) 实时回看拍摄的照片和视频方便;

  5) 集成在机身内,可靠性较高,一体化设计较为美观。

  缺点:

  1) 中高端产品的价格昂贵;

  2) 低端产品的有效距离短和图像延迟问题非常严重,影响飞行体验和远距离飞行安全;

  3) 普通手机和平板电脑在没有配备遮光罩的情况下,在室外环境下飞行时,较低的屏幕亮度使得飞手难以看清画面;

  4) 限于厂商实力和研发成本,不同的数字图传对手机/平板作为显示器的兼容性没有充分验证,某些型号可能适配较差。

  适应人群:新手玩家,中高端数字图传亦可适应高端玩家要求,但对于穿越飞行而言目前的数字图传延迟仍然较要实现航拍功能时需外接显示器或使用手机/平板电脑作为显示器。

 

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