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[经验] 四轴飞行器基本组成部分

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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-5-14 15:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
四轴飞行器按照模块划分,主要有下面几个部分。
  • 动力部分:电机,电机驱动,桨叶
  • 控制部分:MCU,传感器(IMU),遥控通信(2.4G和蓝牙)
一、电机

电动机有有刷和无刷之分。结构上,无刷电机和有刷电机有相似之处,也有转子和定子,只不过和有刷电机的结构相反;有刷电机的转子是线圈绕组,和动力输出轴相连,定子是永磁磁钢;无刷电机的转子是永磁磁钢,连同外壳一起和输出轴相连,定子是绕组线圈,去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷,故称之为无刷电机(Brushless motor)。
有刷电机
有刷电动机是内部含有换相电刷的电动机。什么是电刷呢,直接上图。电刷通过绝缘座固定在电动机后盖上,将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相器连通了转子上的线圈,线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的磁铁形成作用力而转动起来。下图是将现在Crazepony使用的电机拆解之后看到的电刷和换相器。
有刷电机由于电刷和换相器之间的物理接触,所以有摩擦大,发热大,效率低等缺点。但是有刷电机同样具有制造简单,成本低廉的优点,所以现在市面上有刷电机仍然占有很大份额。
无刷电机
有刷电机通过电刷和换相器这种结构设计获得固定方向的磁场作用力而转动起来。无刷电机没有电刷和换相器,它是如何获得固定方向的磁场作用力的呢?简单而言,依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形,在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动,电机就转起来了。
电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关,更与无刷电机的控制性能有很大关系,这就是无刷电机配合的电调需要解决的问题。
无刷电机拥有动力足,寿命长,效率高等优势。所以大四轴都是用无刷电机的,模型无刷电机的外观如下,区别于有刷电机,最明显的就是无刷电机有三根线,并且配合电调使用
无刷电机最重要的一个参数是KV值,这个数值是无刷电机独有的一个性能参数,是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。
无刷电机KV值定义为转速/伏特,意思为输入电压增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值(转/分钟)。总这个定义来看,我们能知道,无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。
例如:某无刷电机KV值为1000KV,意思是此电机在1V电压下,每分钟转速为1000转。则在10V电压下,此电机转速为:10V*1000KV=10000转/分,当然这些都是在电机空载的时候。
绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大。
绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小。
这里可以扩展一下,为什么四轴飞行器都是使用的外转子无刷直流电机呢?外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片,贴到了外壳上,电机运行时,是整个外壳在转,而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说,转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上),所以转速较内转子电机要慢,通常KV值在几百到几千之间,用在航模上可以直接驱动螺旋桨,而省去了机械减速机构。(摘自《无感无刷直流电机之电调设计全攻略》)
电机之空心杯
空心杯电机(coreless motor)属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。
空心杯电机分为有刷和无刷两种,有刷空心杯电机转子无铁芯,无刷空心杯电机定子无铁芯。
Crazepony使用的是有刷空心杯电机,转速为30000转/分钟,直径为7mm,长度为20mm(简称720电机),电机轴直径为1mm。当然,随着现在生产工艺的进步,现在市面上已经有体积非常小的航模无刷电机,Crazepony也会尝试使用无刷电机。
Crazepony空心杯高速电机拆解图,可以明显看到线圈中间没有铁芯的。
二、电机驱动控制

电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止,以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器,简称电调,英文electronic speed controller(ESC)。电调对应使用的电机不同,分无刷电调和有刷电调。
有刷电机的永磁体是固定不动的,线圈绕在转子上,通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机,顾名思义,这种电机是没有电刷和换相器的,他的转子是永磁体,而线圈是固定不动的,直接接到外部电源,问题就来了,线圈磁场方向怎么改变呢?事实上,无刷电机外部还需要一个电子调速器,这个调速器就是一个电机驱动,通过改变固定线圈内部电流的方向,保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥,持续转动得以延续。
有刷电机工作可以不需要电调,直接把电供给电机就能够工作,但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调,否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电,输给无刷电机才能转动。
一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。
Crazepony电机驱动
无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的,而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机,接上电就能猛转,反着接它就反着猛转,就是这么简单。
Crazepony使用的是有刷空心杯电机,所以电机的控制属于有刷直流电机控制,相对于无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机,转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机,很简单,只需要将信号的驱动能力增大,就能驱动有刷电机了。
那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管,中功率管的失败,最后选用的是场效应管(即MOSFET)SI2302。
由于笔者完全是由于一种强烈的爱好选择了飞行器,最开始连有刷电机和无刷电机的物理结构区别都不知道,电调又是啥?傻傻分不清楚……
从一个几乎零基础的状态去选择电机驱动芯片,弯路是必须要走的,学费是必须要交的。曾以为书上学到的东西马上就能用,马上能转化为产品,后来发现真的是自己想多了。
最开始用的三极管作为电机驱动,采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧?”画了用三极管驱动的PCB板,发现电机越转越慢,根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流,好吧那我换个中功率管吧,集电极最大6A电流行了吧?”可以想象结果是不行的。
首先了解下为什么三极管作为简单的电机驱动是不可取的方案:
  • 三极管作为一个古老的半导体先驱,它是以一个放大器件的姿态而出现的,它在线性区域特性集中,饱和与截止都是两种极端的工作状态,而作为电机驱动的话,我们只能选择它的这两种极端工作模式。
  • 用三极管作为大电流负载的驱动管时,不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响,这是很严重的。自身耗散越来越大,电机和管子是串联关系,电池电压只有3.7V,电机就只能越转越慢了
在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的,所有特性都集中在开关状态的晶体管,场效应管,即MOSFET。通常的场效应管完全导通时,源漏极电阻都是mΩ级别的,即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管(SI2302),结果表现出了很好的驱动性能。
每个场效应管接一个大电阻下拉,目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时,电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻,保证了场管输入信号要么是高,要么是低,没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态,要么转,要么不转。主控输出的是PWM波形,用于控制场效应管的关闭和导通,从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简单。
无刷电调(读做tiao)
在《电机与桨叶》一文中,我们提到大四轴基本上都是使用的无刷电机,无刷电机控制必须配合无刷电调使用
无刷电调的输入是直流,通常直接接航模电池。输出是3根线,驱动无刷电机。另外无刷电调还有三根信号线,一般输入PWM信号,用于控制电机的转速。对于航模,尤其是四轴飞行器,由于其特殊性,需要专门的航模电调。
那么为什么在四轴飞行器上需要专门的电调呢,其有什么特别的地方?四轴飞行器有四个桨,两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转,这样可抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小,四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨,只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力,保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常航模直升机用到的电机控制信号更新频率很低,而航模四轴飞行器用到的控制信号更新频率很高。
四轴为了能够快速反应,以应对姿态变化引起的飘移,需要高反应速度的电调,常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右,满足不了这种控制所需要的速度,且PPM电调MCU内置PID稳速控制,能对常规航模提供顺滑的转速变化特性,用在四轴上就不合适了,四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专用电调,IIC总线接口传送控制信号,可达到每秒几百上千次的电机转速变化,在四轴飞行时,姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击,依旧安然无恙。
对于四轴飞行器,我们一般使用无感无刷直流电机,电调利用第三相的感生电动势来测量转子位置。而对应的车模和船模,因为其电机需要频繁启动、停止、反转,而且对整套动力系统的重量也不是十分讲究,故用有感无刷电机,电调使用电机上的霍尔效应器件来检测转子的位置。
下图为车模/船模上使用的有感无刷直流电机及对应的电调,Hobbywing(好盈)公司的Quicrun系列3650型号。

三、桨叶

螺旋桨的型号由如8045,1038等4位数字表示,分别代表桨叶两个重要的参数,桨直径桨螺距。桨直径是指桨转动所形成的圆的直径,对于双叶桨(两片桨叶,这是最常用的桨)恰好是两片桨叶长度之和,由前两位数字表示,如上面的80和10,单位为英寸。桨螺距则代表桨旋转一周前进的距离,由后两位数字表示,如上面的45和38。桨直径和螺距越大,桨能提供的拉(推)力越大。
以Phantom的桨叶为例。Phantom 1使用的是8045的桨叶,表示桨直径为8英寸(8×2.54=20.32厘米),桨螺距为4.5英寸;而Phantom 2使用的是9443的桨叶,表示桨直径为9.4英寸,桨螺距为4.3英寸。从桨叶的规格可以看出,Phantom的第二代能够提供更大的动力。
对于玩大四轴的人来说,桨叶的材质也是非常有考究的。根据桨叶使用材质的不同,现在市面上有的包括碳纤桨,木桨,注塑桨
注塑浆:注塑桨是指使用塑料等复合材料制成的桨叶。在航模爱好者中以美国APC公司生产的桨叶最为有名,质量最好。淘宝上也有三种大类,分别是原装APC,ATG生产的假APC,以及不知名小厂生产的最廉价的有APC浆外观的塑料桨。
APC浆有一个衍生系列多轴专用的MR系列。优点是增强了浆的硬度,减少了重量,再次提高效率,解决了之前的高速转动浆尖变形问题。缺点是价格较贵,原装价格在89-128之间,并且无合适的垫圈,需要自己找物料缩小孔径。
碳纤浆
碳纤维是一种与人造丝,合成纤维一样的纤维状碳材料。由于碳纤维的材料原因,它有优异的硬度和合适的浆型,非常适合技巧性飞行和3D飞行。碳纤浆效率优于木浆,价格比木浆更贵,稍微低于原装APC。
几种不同的碳纤桨叶。
木浆
木浆的材料多为榉木,硬度高,重量轻,经过风干打蜡上漆以后不怕受潮。在航空史上,木桨在早期扮演了非常重要的角色。一战时期的很多飞机都是使用的木桨,后来才逐渐被铁桨取代。专门提供飞行器的木浆的公司sensenich
在航模爱好者中,木桨主要用在固定翼飞行器上,最为高端的是欧洲XOAR公司的木桨。
下面是一个提供了很多关于螺旋桨知识,历史,设计的网站heliciel
桨叶的平衡
桨叶会随着电机高速旋转,所以其旋转平衡是一个很重要的指标。如果桨叶有一头重一头轻,或者一侧轻一侧重等不平衡问题,那么在旋转时就会产生左右/前后晃动等问题。这样不仅仅动力效率低,而且还可能会损坏电机造成航模飞机炸机。一般的桨叶都已经进行过自平衡测试,对于要求高的场合也可以自己调节桨叶的自平衡。下面是一种常见的测试自平衡的工具。
当然,对于像Crazepony这样的小四轴,一般就很少考虑桨叶自平衡问题。
桨叶和电机的组合
不同的桨叶和电机(KV值不一样)能够形成不同的动力组合,适合于不同的航模飞机和应用场景。
无刷电机绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大。达到同样的推力,要比高KV值的剩电,所以四轴飞行器多使用小KV的电机。
无刷电机绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小。同样的设备重量(电机、电调、电池),得到的最大推力要高过低KV值的电机。
简单的说,相同的电机和电池,大KV值用小的螺旋桨,小KV值用大的螺旋桨。相对来说螺旋桨配得过小,不能发挥最大推力。相对来说螺旋桨配得过大,电机会过热,会使电机退磁,造成电机性能的永久下降。
原则上,更小的KV值和更大的桨叶,能够表现出更好的动力效率。也就是说相同的电池,能够飞行的时间更长。例如X5C这样的玩具飞机,电机和桨叶由减速齿轮连接。减速齿轮降低了电机的KV值,有更好的动力效率。Crazepony现在使用30000转/分钟的空心杯电机,75mm桨叶。当配备350mAh电池时,能够飞行4-5min左右。在电机和桨叶的动力效率组合方面,应该还有进步的空间。

四、控制器——MCU


四轴的灵魂——飞控
飞控是四轴的灵魂。那么什么是飞控呢?飞控其实就是四轴飞行器的电子控制部分,包括传感器部分惯性导航模块和控制部分的MCU。
四轴飞行器相对于常规航模来说,最复杂的就是电子部分。可以和其它两种常见的航模固定翼以及直升机比较一下。在常规固定翼航模上,陀螺仪并非常用器件。相对操控难度大点的直升级航模,如果不做自动稳定系统,也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器则必须配备陀螺仪,这是最基本要求,不然无法飞行,更谈不上飞稳了。不但要有,还得是3轴(X、Y、Z)都得有,这是四轴飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感器,这6个自由度,就组成了飞行姿态稳定的基本部分,也是关键核心部分惯性导航模块,简称IMU。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了,可见它是整架模型的核心部件。
IMU感知飞行器在空中的姿态,将数据送给处理器MCU。处理器MCU将根据用户操作的指令,以及IMU数据,通过飞行算法控制飞行器的稳定运行。由于有大量的数据需要计算,而且需要实时性极高的控制,所以MCU的性能也决定了飞行器是否能够飞得足够稳定,灵活。
本篇文章只讲飞控的MCU部分,将有另外一篇文章《飞控——传感器》讲解IMU部分内容。
主控MCU STM32
Crazepony的主控MCU选用的是意法半导体的STM32f103T8U6,为32位ARM Cortex-M内核,最高72MHz。关于为什么会选用这片MCU,在CamelGo的博客我和Crazepony的那点事儿(2)中有这么一段描述。
曾经在犹豫用TI的430系列单片机还是意法半导的STM32。那是在我大二的时候,从来没有接触过STM32,以前都是用51单片机和TI的msp430系列单片机。好吧,我承认了,我做Crazepony其实是就是为了学习STM32的,没有买过STM32相关的开发板,就这么简单粗暴大刀阔斧的开始了我的STM32之旅…
最终选择用STM32当然还有其他原因,TI公司的MSP430系列都是基于低功耗在做文章,作为移动消费电子,对电源续航能力要求比较高的场合比较适用。
……
之所以选择STM32F103T8U6作为Crazepony的主控芯片。首先因为他是crotex-M3内核,继承了ARM的优良性能,主频能跑到72MHz,3个通用定时器,1个高级定时器,7通道DMA控制器,而且总线接口资源丰富;其次是因为它VFQFPN36的封装,只有6mm*6mm的占地面积,对这个寸土寸金的项目来说简直太赞了。这么高的性价比,当然让我选择了他作为主控。72MHz虽然生不了孩纸,但是足以处理除了图像之外的大部分任务了。
主控选型需要考虑的问题
CamelGo说是误打误撞就选用了STM32作为主控MCU,其实真正在选型时候,有很多问题是需要我们考虑的,下面列举出几个最常见的问题。
  • 首先是MCU的性能,最重要的指标就是主频。这直接决定MCU计算的快慢。四轴飞行器有很多来自IMU的数据需要处理,而且还有复杂的控制算法,如果MCU的性能不够,那么将直接限制飞控只能够处于一个比较初级的阶段,无法完成更加复杂的功能和精准的控制;
  • MCU的接口也很重要。MCU是整个四轴飞行器的大脑,几乎所有的数据都要连接到它上面。例如I2C总线个数,DMA通道数目,GPIO数据等等;
  • 正如博客中提到的,MCU的尺寸大小也是值得考虑的因素;
  • 另外就是这个MCU的开发是否简单,技术资源的支持是否足够多。这对于一个DIY的开源四周飞行器也很重要;
综合了这些因素,我们选择了STM32这片MCU作为我们的主控MCU。我们也高兴的看到,很多国内国外的四轴爱好者也选择了这一片MCU。Crazepony不再孤独!
关于ARM Cortex-M
由于STM32使用的是ARM Cortex-M架构,所以这里有必要做一点ARM Cortex的普及。
ARM公司在经典处理器ARM11架构之后,为了给不同需求的CPU厂商提供服务,之后的内核架构命名都改为Cortex,并分成了A,R,M三类,也即将ARM的三个字母拆分为三个架构的名,代表着不同的发展方向:
  • A系列处理器可托管丰富的OS平台和位应用商提供全方位的解决方案,诸如低成本手机、数字电视、机顶盒、打印机、服务器等。
  • R系列为实时处理器,要求可靠性、可用性、可维护性和实时响应的嵌入式系统提供解决方案。
  • M系列是一系列可向上兼容的高效能、易于使用的处理器,这些处理器旨在帮助开发者满足将来嵌入式的需要,这些需要包括低成本、不断增加的连接、代码改善移植等。M系列主要应用在智能测量、人机接口设备、汽车电子、工业控制、大型家电等。
所以,我们的STM32使用的Cortex-M3内核,就属于ARM的M系列,主要针对嵌入式产品需求而设计的。下面是一张Cortex-M3的内核架构图。


五、传感器

飞控是由传感器部分(即惯性导航模块,IMU)和控制部分MCU组成。这篇文章我们将重点讲讲传感器部分的知识。
四轴飞行器的传感器就是用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态,这有个专有名词叫做运动感测追踪,英文Motion Tracking。在消费电子市场,运动感测技术主要有四种基础运动传感器,下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。
加速器(G-sensors)
加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度,单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品,可提供有限的运动感测功能。例如,含加速器的产品,可在固定方位,感应緃向至横向的移动,因此,加速器主要使用于与重力方向有关的感测产品中,可提供如将手机的緃向萤慕转换为横向等的简单功能。
陀螺仪(Gyros)
陀螺仪是利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。
陀螺仪可感测一轴或多轴的旋转角速度,可精准感测自由空间中的复杂移动动作,因此,陀螺仪成为追踪物体移动方位与旋转动作的必要运动传感器。不像加速器与电子罗盘,陀螺仪不须借助任何如重力或磁场等的外在力量,能够自主性的发挥其功能。
更加详细的资料,参考MPU6050使用相关的篇章。
电子罗盘(E-Compasses)
电子罗盘也叫数字指南针,磁力计,是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经,现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。
电子罗盘可藉由地球的磁场来感测前进方向。运用电子罗盘的消费性电子产品应用,包含在手机的地图应用程序显示正确方向,或为导航应用程序提供前进方向数据。然而,电子设备或建筑材料的磁场干扰,比地球磁场来得强,导致电子罗盘传感器的输出值,较容易受到各种环境因素的影响,尤其在室内更是如此,因此,电子罗盘须要透过频繁的校正,才能维持前进方向数据的准确度。
压力传感器(Barometers)
压力传感器又叫做气压计,会藉由气压的变化来感测物体的相对与绝对高度,常被运用于与运动、健身、方位推测等应用有关的消费性产品中,例如,可感测使用者的移动层楼,调整地图信息。
微机电系统(MEMS)
微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统,是以半导体制造技术为基础发展起来的。
在我们的四轴飞行器上用到的是传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。
我们使用的加速度陀螺仪MPU6050,电子罗盘HMC5883L都是微机电系统。
六、遥控器
常见的无线遥控按照使用技术不同,主要有红外遥控2.4G遥控。红外遥控有方向范围窄,距离短等特点,所以航模遥控器基本上都是使用2.4G无线遥控。 我们知道蓝牙,wifi,ZigBee等都是采用的2.4G频段,那么这个又有什么差别呢?首先我们需要对2.4GHz无线技术以及标准做一个简单的介绍。
2.4GHz无线技术简介及其标准
2.4GHz无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术。所谓的2.4GHz所指的是一个工作频段2400M-2483M范围,这个频段是全世界免申请使用。常见的Wifi,蓝牙,ZigBee都是使用的2.4G频率段。
Wifi,蓝牙,Zigbee都是基于2.4GHz的,只不过他们采用的协议不同,导致其传输速率不同,所以运用的范围就不同。同样是采用2.4G频率作为载波,但不同的通讯协议衍生出的通讯方式会有着天壤之别;仅仅在传输数据量上,就有着从1M每秒到100M每秒的差别。详见下面的2.4GHz ISM频段无线信号比较图。
2.4G无线通信模块
2.4G无线通信模块(英文:2.4Ghz RF transceiver / receiver module)工作在全球免申请ISM频道,频率范围是2400MHz-2483MHz。实现开机自动扫频功能,共有50个工作信道。市面上的航模遥控器基本上都是使用2.4G无线通信模块,对应遥控器会配置一个接收机。遥控器(发射机)和接收机需要配对使用,不同厂商的不能够兼容,因为使用的收发芯片以及协议可能不一样。
Crazepony使用的2.4G无线射频芯片NRF24L01作为无线控制。在飞机上我们将NRF24L01作为接收部分做到PCB板上,在遥控器上我们使用基于NRF24L01芯片的模块,方便插拔跟换。
crazepony的2.4G模块
Crazepony使用的是单片2.4G无线射频收发芯片NRF24L01。关于为什么会选用这片IC,在CamelGo的博客我和Crazepony的那点事儿(2)中有这么一段描述。
数据通信这块,也没什么特别要考虑的,短距离高速通信且免费这一点要求就限制了只能选择2.4GHz这个频段,在这个频段出了很多优秀的芯片厂商。在学生时代,我用得最多是Nordic公司的NRF24L01这个系列的收发一体芯片,由于刚开始着手启动Crazepony这个项目时,我只会这颗操作芯片,本着方便的原则,所以很自然的选择了这颗它(后来发现国外一个团队bitcraze也用的这个系列的芯片时,还是有点小激动的)
市面上有基于NRF24L01芯片的模块,有统一的标准接口。在遥控器上,我们就直接使用了这个模块,用来和飞控上的NRF24L01进行通信。我们标配的模块如下图所示,控制的距离在20m左右。
遥控器上也可以使用带有PA(功率放大,power amplifier)的NRF24L01模块,带有鞭状天线,我们实测能够达到100m的控制距离。
下图为使用带有PA的2.4G模块遥控器的实物图。
市场上航模遥控器介绍
进口遥控,有名的品牌有JR/FUTABA/SANWA等。
  • 油动版(标准接收机),遥控距离在600~800米(4VF/4EX/6EX/MAX66/RD6000/VG400),一般使用FM/PPM模式
  • 电动版(微型接受机),遥控距离在400~500米(一次变频版)700~1000米(二次变频)
  • 高级遥控器,象FF9/JR9X2/JR12/T12/T14,PCM版二次变频接收机,最远有1.5KM~2KM
国产遥控器,最常见的为天地飞,英文WFLY。
  • 天地飞6通,一次变频版接收机一般遥控距离在300~400米,这种小型接收机一般只适用于电动飞机,装到油机上面有一定危险。
  • 天地飞8,9通,遥控距离600~800米,二次变频版,可以飞油动飞机,电动飞机,但飞汽油机有危险。
国产遥控与进口遥控的差距区别在于,一是无线电技术上的差距,另一方面国产的研发机构太少,没有经过长时间的产品测试。国产遥控器用的都是比较便宜的电子元件,所以成本比较低,特别是接收机,接收机的芯片,好接收机都是进口芯片,所以很稳定,程序编写比较好,便宜的接收机芯片比较便宜,所以容易出事。一个很简单的例子,遥控器上面的电位器,国产设备用得是国产电位器一般寿命在10~30万次,进口设备的电位器,像FUTABA是台湾产的可以达到100万次,这样直接影响遥控器的寿命。一般认为遥控器的做工方面JR遥控器最好,线路布局各方面都很好,特别是目前只有JR遥控器配有保险丝如果爱好者不小心短路了,只需要更换保险丝就可以,比较人性化,更重要的是JR遥控器全部是在日本,马来西亚制造,品质有所保证。 FUTABA大众型遥控器现在比较普遍,现在FUTABA的低端遥控器都是在国内产的,接收机是台湾产的,所以遥控器这东西一份价格一分货。模友按照自己的经济能力去选购就可以了,千万不能攀比,选择适合自己的都可以。
现在国产遥控器的厂家越来越多,价格的优惠使得航模的门槛越来越低,所以有一款适合自己的遥控器是广大模友的心愿,广大模友按照自己的经济实力合理 选购属于自己的遥控器。

拥有一个遥控器,能否用来控制Crazepony四轴飞行器
要使用原有的遥控器控制Crazepony四轴飞行器,需要满足下面两个条件。
  • 遥控器是使用和crazepony飞机上2.4G射频接收芯片NRF24L01一样的发射芯片,或者相兼容的芯片。
  • 需要知道遥控器的数据编码格式。很多厂商原则上是不会公开遥控器使用的数据编码格式的。这就需要对该厂商遥控器的编码进行破解。
例如crazyflie就支持ESky的遥控器,因为该遥控器的编码被大神破解并且公开。所以有人专门争对这个提供了接收机代码包,叫做Esky Protocol,其实就是ESky公司遥控器使用的通信协议。只要在飞控端将遥控器的数据解析出来,就可以使用ESky航模公司的遥控器进行控制。
关于ESky公司的2.4G遥控器设备的通信协议,参考ArduinoRCLib项目中的描述。
The Esky 2.4 GHz equipment uses the Nordic NRF2401AG in both the transmitter and receiver. A compatible alternative to this chip is the NRF24L01+ (which is widely available).
关于接收机的输出和PPM/PCM编码
关于遥控曲线问题
很多新手反应,航模不好控制。其实这是有原因的,其中最大的一点就是关于遥控曲线的问题,而其中又以油门曲线最为有代表性。
目的是把直线变化的油门,变为曲线变化,以此提供不同的飞行模式。我们以最简单的3点曲线来说明,我们把发射机油门遥杆从下底端,中段,上顶端分为3个点,普通的发射机对应的油门量分别是0%,50%,100%,如果具有油门曲线的发射机,则可对这3个点单独进行设定。
比如,我们将下底端的0%设定为100%。这时,油门摇杆的位置在中段时油门量为50%,向上向下推动油门遥杆都是不断的增加油门量直到100%油门。这时我们看到的是一个V字形变化的油门曲线了(这是3D模式的油门变化要求)。5点曲线就是在3点之间插入2个点,以提供更接近曲线的平滑设定。当然还有一些高端的遥控器提供了7点甚至更多的设定点。那么多少合适呢,对于世界级的比赛其实5点或以上就已经足够了!



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