Matrix

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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 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 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 5-7 不支持
伟力V930 368(标配) 27×4.9×8 45 450 无刷直流 5-7 不支持
伟力V966 23.8×4.9×8 45 250 空心杯直流 5-7 支持
伟力V977 408 27×4.9×8 58 450 无刷直流 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 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 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 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 8 不支持
蓝飞翔HP100BL 460 29.6×**×9.2 45(含电池) 300 无刷直流 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 ~5 支持
HiSKY HCP100s 598 24.9(旋翼直径) 79(含电池) 450×2S 无刷直流 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 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 8~10+
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 8
美嘉欣F45 388(标配) 60×20×10 1500×2S
美嘉欣F46 368 42(不含旋翼)×7.5×15 700×2S 无刷直流 8-9
美嘉欣F49 408(标配) 69×47.5×19.5 ~500 1500×2S 有刷直流 8

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PixhawkAPM 2.6。APM的硬件已经不能支撑更多功能[1],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QGroundControlMission 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[2]
  • 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ANTZigbee6LoWPAN。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 非常多 较少 几乎没有
模块连续传输电流消耗/mA ~200[3] ~20 ~20
户外节点最大间距/m 140[4]、250[5] 10(Class 2最低指标)[6] 150[7]
理论数据速率/Mbps 1~150[4] 3(EDR)[8] 0.25
允许节点数量 50或64(WPA2)[9],可扩充 7个Slave设备[10] 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。

第一阶段预算

参考文献