Matrix

立项申请（草稿）

项目目标

能够在室外做64机编队飞行的小型旋翼无人机系统。

• 室外： 主要目标是以紫操中心为底面中心的50m长，50m宽，25m高的长方体区域
• 64机： 这是个“理想”，实际要考虑人力财力。但至少需要8个飞行器单元
• 编队： 使用按照各自预定轨迹飞行的方式完成
• 旋翼无人机： 实际上代指一切可以在空中悬停并且可以控制其移动的物体

实现方案

实现方案最大程度地遵循“不重复造轮子”的原则，充分利用已有的尤其是开源的设计。这样可提高项目推进速度，避免走弯路并且有利于项目长期发展。

飞行器单元

使用小型玩具直升机改装。小型玩具直升机便宜，安全，耐摔，便于室内试验；与相同重量的四旋翼相比巡航速度高（也就是更抗风），载荷大，功率小，动作灵敏。

备选的改装用机型（小型）

型号	单机价格/RMB	长×宽×高/cm	无电重量/g	电池容量/mAh	主旋翼动力	副翼	标称飞行时间/min	变总距	其他特性
伟力V911-1	110	25.5×4×9	28	200	空心杯直流	有	8	不支持	直插式电池。舵机控制板一体，不易改装
伟力V911-2	120	26×4.5×8		200	空心杯直流	有	7	不支持	直插式电池。舵机控制板一体，不易改装
伟力V988		24.5×4.9×8	46.5	250	空心杯直流	无	5-7	不支持
伟力V930	368（标配）	27×4.9×8	45	450	无刷直流	无	5-7	不支持
伟力V966		23.8×4.9×8	45	250	空心杯直流	无	5-7	支持
伟力V977	408	27×4.9×8	58	450	无刷直流	无	5-7	支持
华科尔Mini CP	1198	24.1（旋翼直径）	45（含电池）	240	空心杯直流	无		支持	双向传输监测电压、电机温度
华科尔V120D02S	980	30.8（旋翼直径）	100（含电池）	600	无刷直流	无		支持	主旋翼传动变距尾旋翼
美嘉欣F47	198（标配）	23（不含旋翼）×4.5×8	~38.5	380	有刷直流	有	8~10	不支持
美嘉欣F48	328	23（不含旋翼）×4.5×7.5	~40	380	无刷直流	无	8	不支持
蓝飞翔HP100BL	460	29.6×**×9.2	45（含电池）	300	无刷直流	无	10-15	支持	五线直线舵机，目前很难找到现货
霓辉H377	305	30×4.5×8.5		500	有刷直流	无	~5	支持
HiSKY HCP100s	598	24.9（旋翼直径）	79（含电池）	450×2S	无刷直流	无	5	支持	三线直线舵机，无刷尾电机
HiSKY HCP100	388	24.9（旋翼直径）	~50（含电池）		有刷直流	4~5	无	支持	三线直线舵机

现在的玩具厂商开始使用软旋翼了，所以中型飞机也是安全的。

备选的改装用机型（中型）

型号	单机价格/RMB	长×宽×高/cm	无电重量/g	电池容量/mAh	主旋翼动力	副翼	标称飞行时间/min	变总距	其他特性
伟力V912	328（标配）	52×8.5×15.5		850×2S	有刷直流	有	8~10+	无
伟力V913无刷/有刷	498/398（标配）	70×11×20	450	1500×2S	无刷直流/有刷直流	有	8	无
美嘉欣F45	388（标配）	60×20×10		1500×2S		有		无
美嘉欣F46	368	42（不含旋翼）×7.5×15		700×2S	无刷直流	有	8-9	无
美嘉欣F49	408（标配）	69×47.5×19.5	~500	1500×2S	有刷直流	有	8	无

筛选原则：

• 偏好无副翼。因为成品有电子增稳，副翼的增稳作用不必要，且降低悬停效率。
• 偏好单旋翼。因为单旋翼翼稍速度大，允许的巡航速度（也即悬停时风速）大。这也是不考虑四旋翼的原因。
• 偏好非空心杯电机作为主旋翼动力。因为空心杯电机“漏磁”会极大地影响磁强计。
• 偏好可变总距。这样可以寻找最优的总距-转速搭配，以达到最长的悬停时间。

选择普通直流电机还是无刷直流电机尚不确定。

蓝飞翔HP100BL的五线舵机允许我们自己设计舵机闭环，感觉更有意思。

使用小飞机会遇到减重设计的问题。刚开始时就考虑减重设计会带来不必要的麻烦，所以前期试验使用伟力V913有刷或无刷版，后期成品使用蓝飞翔HP100BL。

飞行控制器单元

备选的飞行控制器硬件方案有Pixhawk和APM 2.6。APM的硬件已经不能支撑更多功能，故选择Pixhawk。

飞行控制器硬件与Pixhawk兼容，以便应用Pixhawk的Firmware等资源。但电路需要重新设计，精简元件，以适应飞行器单元的尺寸。

主控制器为STM32F427IIH6，代替Pixhawk的STM32F427VIT6。这样可以占用更小的PCB面积。

地面站

地面站软件使用QGroundControl、Mission Planner或者APM Planner 2。

个人偏好QGroundControl，因为

• 图形界面令我满意
• written by engineers for engineers
• 由Pixhawk团队开发

具体选用哪个有待商榷。

通信

飞行器单元与地面站、飞行器单元与飞行器单元之间需要建立无线网络。网络应用层协议是MAVLink，此协议同样出自Pixhawk团队之手。

由于物联网概念的兴起，近年来小型低功耗设备的无线组网方案发展迅速，给Matrix带来了非常多的选择。物联网常使用的网络协议有Wi-Fi、蓝牙、ANT、Zigbee和6LoWPAN。下表大略地对我们关心的性能指标做了对比。

常见物联网协议性能指标比较

协议	Wi-Fi 802.11n	蓝牙	ANT	Zigbee	6LoWPAN
市售串口模块种类数量	多	非常多	较少	多	几乎没有
模块连续传输电流消耗/mA	~200	~20		~20
户外节点最大间距/m	140、250	10（Class 2最低指标）		150
理论数据速率/Mbps	1~150	3（EDR）		0.25
允许节点数量	50或64（WPA2），可扩充	7个Slave设备		1024
通信延迟

之前工场做项目常用的点对点无线传输方案是蓝牙模块。下表列出了部分市面上常见的蓝牙透明传输模块。

市面上常见的蓝牙模块

公司/型号	主芯片	协议	备注
汇承HC-05	CSR BC417	2.0	经典的蓝牙2.0透传模块
创联发SH-H2	不明	2.1EDR+4.0BLE“双模”
易联易通ELET114A	BCM20710	2.1EDR+4.0BLE“双模”
华茂HM-12/HM-13	不明	2.1EDR+4.0BLE“双模”
信驰达RF-BM-S02	CC2540	4.0、BLE
华茂HM-10/HM-11	CC2540	4.0、BLE

调研过程中发现了ESP8266这款WiFi SoC有一个规模不小的开源社区，看起来是个不错的选择。粗略浏览了淘宝“ESP8266 模块”的搜索结果，ESP-01/03/05/07/12这几种模块有卖，价格在￥13左右。全系列模块列表在这个Wiki页面上。

项目前期小编队试验选择组网方案的原则是配置、连接操作尽可能简单。可能的方案有：

1. 每飞行器单元用一个处于从模式的蓝牙SPP（支持EDR）模块与主机（联想X系列笔记本）组成星形网络
2. 每飞行器单元用一个WiFi模块与主机（装有Intel网卡的联想X系列笔记本）组成星形网络

项目后期大编队选择组网方案的原则是保证数据速率和可靠性。暂定使用WiFi多接入点（主要）+Zigbee网状（备用）

To do：确定Zigbee的网络延迟是否在可以接受的范围内。

飞行器位置测量

使用最便宜的GPS来获取飞行器的位置，这也是最初决定在室外飞行的原因。

各阶段目标及主要工作

Milestone 1

Plan A/B的选择取决于直升机的最大载荷。若可以承载Pixhawk和接收机等设备则选择Plan B，否则选择Plan A。

Plan A

使用B型微型四旋翼的飞行控制器使美嘉欣F46玩具直升机完成姿态保持（俯仰、滚转）。

主要工作：

1. 寻找B型微型四旋翼的飞行控制器电路板。若找不到就再焊一个
2. 使用示波器解出偏航角速度为零时主旋翼电调输入PWM脉宽与尾电机输入PWM Duty Cycle的关系
3. 改写Firmware使输出PWM频率适合直升机的舵机、电调，脉宽与控制量输入之间的映射关系适合直升机的飞行控制
4. 基于蓝牙串口模块、USB串口模块建立通信链路
5. PID调参

Plan B

使用Pixhawk使美嘉欣F46玩具直升机完成姿态保持飞行。

主要工作：

1. 使用示波器解出偏航角速度为零时主旋翼电调输入PWM脉宽与尾电机输入PWM Duty Cycle的关系
2. 购买/寻找与Futaba T10CG发射机兼容的小型接收机
3. 制作/购买直流电机驱动器驱动尾旋翼电机

Milestone 2

设计与Pixhawk相似的微型飞行控制器，使蓝飞翔HP100BL完成姿态保持飞行。

Milestone 3

使蓝飞翔HP100BL在室外自动悬停。

Milestone 4

使4~6架蓝飞翔HP100BL在室外围绕地面站按圆形轨迹飞行，所有飞行器单元等分圆周。