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飞行教学——航模FPV低成本技术方案的摸索
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航模领域的FPV是First Person View的缩写,即“主视角”,它是一种基于遥控航空模型或者车船模型的新玩法。一般的遥控模型都是由操纵者手持遥控器,目视着远处的模型控制它的姿态,完成各种动作。但是怎样才能更加刺激和真实的体验呢?
近几年随着电子设备的小型化,我们有机会把无线视频传输设备装在体积和载重量都非常有限的模型上,从而实现以第一视角操纵模型的方式。所能达到的效果就是你可以身临其境的以驾驶员的视角操纵你的模型飞机或者赛车翱翔天空和在地面上狂飙而不用担心危险。这个虽然很有趣,但这并不是什么太新鲜的,因为它在高科技领域早有应用,比如无人机和计算机制导的导弹等等。但是它现在可以很便宜的用在我们DIY的休闲娱乐工具中却是令人刮目相看的事情。
 目前国内FPV玩家相当的多,通过简单的改装,就可以用模型飞机用于FPV,加了平板天线和遥控增程设备,加了OSD导航(显示电池的电压,电流,电量)和GPS的定位(显示起飞的座标和离起飞的距离和方向,高度和速度)和失控返航的设备,让FPV更具可玩性。
FPV就像航模爱好者迈不过去的坎,既非常向往又难于逾越其中的重重障碍,一旦进入FPV领域就进入了无休止的折腾中,我们希望能摸索一条能低成本简单化的FPV之路,功能从简单到复杂,逐步进入FPV的行列。
FPV可以分成飞机端和地面端两部分,我们来分别探讨。
飞机端方案1: 超轻超小的近程FPV方案


哈博森/金星达/伟力V252等的电源是51005插头规格,优迪U818a等飞行器的是JST插头规格的
哈博森/金星达/伟力V252等迷你小四轴都非常微小,重量都在50克以内,最多能挂10克的重物,我们成功解决图传和动力共电产生干扰的问题,采用5.8G 50毫瓦图传模块,在哈博森H107上实现了FPV飞行,实测图传距离在40~50米,实验非常成功!
FPV组件全部重量仅仅5克!(最新的170度广角镜头版本的也就7克)工作电压3~5V,工作电流400毫安。基本不影响飞行器性能,接收端采用4.3寸5.8G接收液晶显示器,采用JST电源插头,推荐使用2S/1300毫安时左右电池供电,可以全部整合到遥控器上。

飞机端方案2: 5.8G 200毫瓦轻量版5V图传四轴FPV方案

对于刚接触FPV的人来说,都希望拥有一套入门级别的FPV设备,我比较推荐用200毫瓦的设备,很多人以为功率太小,其实200毫瓦的设备只要天线合理、安装位置科学距离还是不错的,我曾经用200毫瓦的设备(原装收发小天线)测试到800多米,当时飞机距离地面150米,其中400米内能看清地面图像,500米外大致看OSD字符飞的,接收显示器我是加装录像板所以是雪花屏的。
5.8G 200毫瓦图传还有个优点是5V供电的,因为耗电小,加摄像头一般也就400毫安,所以能直接电调的5V供电,做成舵机插头往接收机的闲置通道内一插就OK了,对于娱乐级别的多轴、电直、或者是小型固定翼来说是非常合理的方案。如果您不喜欢用飞机电调供电,也可以单独配一节锂电池供电。
飞机端方案3: 5.8G 300毫瓦商品图传+OSD模块+高清微型摄像头 FPV方案

300毫瓦的图传支持2S和3S电池,传输距离我们实际在野外进行地面拉距测试时,地面视距约300米图像依然清晰稳定,空中能传输400~500米,最远用平板天线飞过1300米,对于普通的固定翼和四轴FPV基本足够了,如果增加OSD模块还能同步显示器飞行器距离、方向、高度、速度等重要参数。

飞机端方案4:5.8G 600毫瓦商品图传+高清微型摄像头 FPV方案


如果你是玩固定翼的,并且飞机上装了U2S一类的飞控的话,FPV远航才有可能,5.8G 600毫瓦图传是很好的选择,这套图传我们最高飞过1300米,最远飞过2730米,再远因为遥控器失控没法测了。FPV有一个门槛就是从看飞机飞过渡到看屏幕飞,当你真正达到能看屏幕飞时哪个感觉是非常爽的,你控制着飞机在天上到处转转,对有兴趣的地方转圈看看,这才是FPV最吸引人的地方,上面的视频中的飞机就是用这款图传。
飞机端远程方案5: 2.4G 1000毫瓦图传+摄像头+OSD FPV方案

2.4G的图传会干扰2.4G的遥控接收,会造成失控,如果客户的遥控是72M或者433数传的话(433增程设备是目前的发展趋势,采用智能跳频技术,100毫瓦的发射功率可以轻松达到6公里以上的遥控距离)选择2.4G的图传是非常不错的方案,2.4G图传技术最成熟,器材规格品种繁多还非常便宜,传输距离也很理想,我客户曾经用这款1W图传传输6.8公里,还有客户用500毫瓦设备曾经达到10公里的FPV记录,一般远航时接收一般为大平板天线。
地面端方案1:5.8G 4.3寸一体化液晶显示器


用显示器是最方便的,4.3寸的显示器体积小重量轻,集成5.8G接收模块采用2S供电,甚至还能固定在遥控上方,这样您一边飞行一边欣赏空中的景色。
地面端方案2:7寸液晶显示器

7寸的液晶显示器是非常成熟的方案,既可以固定在遥控器上也能固定在相机三脚架上,三脚架能方便调节高度和角度,配合遮光罩在阳光下能很好的工作,比固定在遥控器上省力多了,可以实现真正意义的FPV飞行。
地面端方案3:5寸高亮度雪花屏 5.8G接收存储一体机

这款一体机真的非常小巧紧凑,大小和重量和智能手机差不多,它采用TF卡存储,支持原画质录像,录像重播效果比较理想。这款产品当无线视频信号弱时屏幕是雪花的,一旦信号良好立即显示图像反应很快,是航模FPV爱好者的福音。原配天线接口是TNC的,通过配套的转接线可以转成SMA的,可以和四叶草天线配套,提高图像传输画质。机器自带音频播放功能,可以同步传输声音。
地面端方案4:通过USB采集卡用笔记本电脑实时显示图像

对于接收端来说,用采集卡方案的话费用比较低,而且还能电脑同步录像,缺点是笔记本电脑外场使用不够方便、电脑可能会死机、对电脑的性能配置要求高、图像色彩没有显示器鲜艳清晰、特别是全屏时分辨率也不高。很多模友用一套显示器进行FPV飞行,另外一套USB采集卡进行同步录像。
地面端方案5:通过5.8G视频头盔显示图像
这是我们自行设计制作的FPV专用头盔视觉系统,能实时看到飞机上传回的画面,最大的好处是不受周围强烈阳光的干扰,转动头部可以让平板始终对准飞机,比三角架+显示器方案方便便携。

图传系统常见问题和注意事项:
1、要充分熟悉不同天线的工作特性
常见的棒状小天线的场强分布图类似一个苹果,天线指向的位置是信号盲区最弱,增益越高的天线这个苹果就越扁,所以很多模友发现飞机就在自己周围飞,显示器还却还是不断的闪,相当的不爽。
比较流行的三叶草和四叶草天线信号分布均匀类似一个球型,基本能保证一定范围内可靠接收,很多时候都比原装的棒状天线表现优秀,其实FPV传输距离也不是最重要的,在一定范围内可靠接收才是关键。
平板天线的接收距肯定要比四叶草天线远,如果是高增益的大平板天线配合高增益棒状天线是FPV远航的最佳选择,距离会有惊喜,平板天线的缺点是需要对准飞机方向,高增益的大平板尤其明显,我们一般选用小平板,轻便小巧指向性不是特别强使用起来更方便一些,500毫瓦的发射配合小平板天线我们测试也达到过2733米。
三叶草发射配合左螺旋接收天线也是一种很好的组合,它们都是园极化,极化方式相同,螺旋天线实际距离大致是四叶草天线的4~5倍,由于波瓣角度小,指向性很强需要准确对准。
我们目前常用的方法是发射采用三叶草接收采用小平板,实际效果也不错。无线电理论再强也没有实际测试靠谱,建议大家多用不同厂家的天线组合试验,找到最佳方案。
2、图传的安装位置
图传的安装原则是远离易受干扰的设备如GPS、遥控接收机、舵机等,也要远离产生干扰的设备如电机、电调,推荐的位置是靠近机尾处,甚至还要远离机架、碳棒等设备防止天线的分布参数受影响。如果怀疑图传安装位置不合理,可以试验将图传吊在飞机下面30厘米拉一次距离来判断。
3、天线的安装位置
天线的安装原则是飞机在任何时候都要确保发射天线和接收天线之间无遮挡,推荐天线安装在飞机尾部的最底部,可以垂直指向地面或者水平放置(多做实验)。
4、图传的电源
图传和动力电源共电应该是可以的,图像如果出现网纹、细点、OSD字符跳动等现象说明电源部分没有处理好,图传也可以单独供电做个拉距试验。
5、图传的功率和高度问题
根据无线电传输原理,功率增加四倍,传输距离增加一倍,传输距离和发射天线的高度的平方成正比,所以你现在知道为啥有些人用200毫瓦也能达到2公里的可能了,图传的实际传输距离受天气、无线电环境等诸多因素影响,具有较大的偶然性。
6、图传的频点
一般图传都支持8个左右的频点,通常频点低时发射功率容易全额输出,还有三叶草天线一般是按照中心频点也就是4频道制作的,建议客户可以实际试验。
7、摄像头的选择
传统图传分辨率720*576,也就是520线分辨率,真正FPV时在200米高空拍地面都有点灰蒙蒙的(色彩艳丽基本不太可能)图传实际能达到的效果仅仅是认路,我认为选择摄像头要优先考虑体积、重量、色彩还原度、环境光线宽容度,经过我们反复对比测试推荐两款:170度超广角的480线微型摄像头和140度广角的700线板状摄像头。
8、显示器雪花屏的问题
很多FPV刚入门的人第一句话就是问显示器是不是雪花屏,其实这是个误区,雪花屏在信号时有时无时相对反应快些,其实正常情况下图传不应该出现信号时有时无的,很多客户天线安装位置有问题,天线会被机身遮挡,这样飞行器在空中转圈,显示器图像就时有时无,这个时候反复蓝屏看着窝火,其实问题关键是合理布局天线位置,以我们500毫瓦图传为例,一公里内图像都是不会闪的,再往外跑图像色彩会变淡,画面噪点会增多雪花变大,这时平板天线要比四叶草天线好用,对准飞机后还能看到图像,等飞到1500米以外基本只能看清OSD信息了,但是我们用的显示器都不是所谓的雪花屏,它们都是按照弱信号雪花,0.5秒以上没信号黑屏或者蓝屏设计的,还有IPS屏的显示器我们也实际测试过没太大的优势,还是选7寸高清高亮屏加深腔形遮光罩实用。
9、图传故障排查
图传故障排查请按照加法原则处理,也就是先测试图传的最小系统,务必把图传从飞机上和遥控器上全部拆下来(排除各种可能的干扰)例如:发射机直接接摄像头单独用电池供电放在三楼的窗口,然后拿着接收显示器单独电池供电往远处走,一般市区开阔地按照一毫瓦一米的距离来估算,例如200毫瓦图传一般能传输200米左右,这样在空中大致能两倍的距离,这说明图传没问题,然后逐步增加其他设备,比如发射机用飞机电池供电(不开动力)、飞机开小动力测试、接入OSD后测试、发射天线在飞机不同位置测试、显示器靠近2.4G遥控是否有影响、遥控打开和关闭是否影响、图传电源是否足够等等。

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