實時狀況反映飛行器——可行性分析報告楊奕（組長）韓志梁根鑫王禹欣【實用背景】對于我們的航模，我們有兩種實用思路。第一：從汶川地震開始，我們關注到，在許多地區發生災害后來，多個通訊設備無法使用造成與外界的交流阻斷，同時受災地區交通阻塞，救援隊伍無法進入勘察受災狀況。于是，我們想到使用小型的遙控航模附帶上實施航拍以及GPS導航功效，快速及時地反映那些對外交流困難的受災地區的受災狀況，從而更有助于救援行動的開展。第二：當代交通業的快速發展和膨脹造成了公路擁堵現象越發嚴重。特別是經歷了十一假期個全國性交通堵塞，我們深感及時的理解前方路況讓車輛分流有多么重要。并且，現在的都市道路上都已經裝上攝像頭，這些設備能夠協助交通部門管理都市道路。但高速公路上缺少這樣的設備。并且高速公路路況可能變化很快，這更需要某種機制能夠協助疏導車流。因此，我們構想，與交通部門獲得聯系，在我們完畢航模之后，借用交通部門高速公路上的網絡端口，將拍攝的圖像實時傳輸回來，以確保車輛的快速通過。【預算分析】四軸機架帶陀螺儀251飛控板250元無刷電機4*100=400電調4*88=352正反槳2*24=48鋰電池120元平衡充電器188元7通道遙控器及接受器600元舵機16*2=32平板天線67.8無線電視頻傳輸設備540微型彩色攝像頭200雜費500總造價約3548.8元【航模飛行可行性】通過調查，我們發現，四軸飛機的穩定性和可控制性都比較好，因此，我們選擇四軸飛機作為航模。四軸/多軸飛行器原理不復雜，以四軸為例，四個槳構成一種旋翼平面，靠飛控板控制每個動力組的輸出，來控制旋翼平面的傾斜，靠升力的分力來變化飛行方向：四軸飛行器采用四個旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機體的前后左右四個方向，四個旋翼處在同一高度平面，且四個旋翼軸距幾何中心的距離相等，旋翼1和旋翼3逆時針旋轉，旋翼2和旋翼4順時針旋轉，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。當對角兩個軸產生的升力相似時能夠確保力矩的平衡,四軸不會向任何一種方向傾轉;

而四個電機一對正轉,一對反轉的方式使得繞豎直軸方向旋轉的反扭矩平衡,確保了四軸航向的穩定。四個電機的轉速做對應的變化即可實現四軸在橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動：四個槳產生的推力,超出或者低于四軸本身重力的時候能夠實現豎直方向上升與下降的運動,當槳的升力與四軸本身的重力相等的時候即實現懸停.

當四軸需要向前方運動時,2,4號電機保持轉速不變,3號電機轉速下降,1號電機轉速上升,此時1號電機產生的升力不不大于3號電機的升力,四軸就會沿幾何中心向前傾轉,槳葉升力沿縱向的分力驅動四軸向前運動。

當四軸要轉向左轉向時,1,3號電機轉速上升,2,4號電機轉速下降,使向左的反扭距不不大于向右的反扭矩,四軸在反扭距的作用下向左旋轉.右轉同理。我們預期能通過改裝和程序控制，使得四軸飛機的四個螺旋槳方向都能成為機首，以實現六通道甚至直接斜上斜下的飛行功效，達成盡量精確快速勘察狀況的目的。同時，考慮到載重的限制，我們首先會選擇大小適合的機型，使得其載重能夠達成規定，例如能承載達成功率規定的無線傳輸設備、微型攝像頭以及GPS導航裝置。另外為了使航模能飛行并且較為平穩，我們會選擇輕質的設備，盡量減小其載重。【無線傳輸可行性】航模遙控有專用頻率，能夠滿足距離規定，但航模遙控頻段無法滿足視頻傳輸的需要，那些網上賣的大功率2.4G模擬信道都是非法的，對WIFI、藍牙、Zigbee和其它2.4G信道而言都是強大的干擾源。同時，傳輸實時視頻信號需要足夠的帶寬，3KM以上的高帶寬無線傳輸需要足夠的發射功率，500mW是不夠的，并且這樣的信道嚴重違法，即使采用數字技術也要申請使用執照，而這類執照個人或私營公司去申請的話必定不會獲批。通過網上理解，運用3G信道確實是唯一正當且可行的解決之道，但是由于3G技術尚未完全成熟，應用也基我局限于手機，因此難以實現。我們又理解到：780M無線模塊基于ATMEL公司AT86RF212射頻芯片設計（另外還支持868MHz/915MHz頻段），含有低功耗、高敏捷度和穿透力強等特點，在相似發射功率狀況下，含有比其它ISM頻段的無線收發器更強的穿透力、更遠的通信距離以及更加好的通信質量。780MHz無線通訊最大的優點是“干凈”，避免了2.4G、433M頻段內民用無線設備的干擾，將會是物聯網行業的中流砥柱之一。780MHz無線傳感網模塊能夠衍生出有源RFID（即ActiveRFID）、無線傳感網節點、路由和網關，還能夠和其它網絡模塊配合進行網絡融合、跨網絡使用。以不帶任何放大狀況下，模塊特性以下：1、真正實現傳輸500米無誤碼，空曠條件下可達1.5km以上；2、支持IEEE802.15.4/ZIGBEE合同；3、工作頻段780M/868M/915M；4、780MHz頻段發射功率最大5dbm，915MHz頻段發射功率最大10dbm；5、使用STM32系列MCU的狀況下，每30秒發送一次數據，一節2700mAh的電池，可維持4年以上工作時間；同時，比較幾個不同的傳輸，我們看到，現在困擾物聯網行業的一種致命問題就是同頻段干擾太多。2.4G是全球通用的，902～928MHz是北美的，863～870MHz是歐洲的，779～787MHz是中國新開的，470-517MHz是國家電網計量頻段，無需申請的。因此2.4G和433MHz使用的及較多，相對應的，干擾也就多。我們會盡量采用正當的方式進行視頻傳輸。也考慮過通過無線網絡連接采集設備和接受設備，那么就需要本地分布了無線網絡。這一點在高速公路上比較容易實現。但是對于災區的勘察，可能非法的信號更為實用。畢竟本地的信號已經阻斷，想要快速理解狀況，除了使用自備的傳輸設備別無他法。附錄1、3種不同頻段比較2、780M無線模塊大小僅有一元硬幣左右，符合質量小，體積小的規定，滿足飛行器的載重能力。3、780M無線模塊技術規格4、附四軸飛行器名詞解釋通道：通道就是能夠遙控器控制的動作路數，例如遙控器只能控制四軸上下飛，那么就是1個通道。但四軸在控制過程中需要控制的動作路數有：上下、左右、前后、旋轉。因此四軸飛行器最低得4通道遙控器。要實現航拍功效則就需要更多通道的遙控器。飛控：四軸飛行器相對于常規航模來說，最最復雜的就是電子部分了。之因此能飛行得很穩定，全靠電子控制部分對四軸飛行狀態進行快速調節

。在常規固定翼飛機上，陀螺儀并非慣用器件，在相對操控難度大點的直機上，如果不做自動穩定系統，也只是鎖尾才用到陀螺儀。四軸飛行器與其不同的地方是必須配備陀螺儀，這是最基本規定，否則無法飛行，更談不上飛穩了。不僅要有，還得是3軸向(X、Y、Z)都得有，這是四軸飛行器的機械構造、動力構成特性決定的。在此基礎上再輔以3軸加速度傳感器，這6個自由度，就構成了飛行姿態穩定的基本部分，也是核心核心部分---慣性導航模塊，簡稱IMU。飛行中的姿態感測全靠這個IMU了，可見它是整架模型的核心部件。電調：電調的作用就是將飛控板的控制信號，轉變為電流的大小，以控制電機的轉速。四軸飛行器四個槳轉動時的離心力是分散的。不象直機的槳，只有一種能產生集中的離心力形成陀螺性質的慣性離心力，保持機身不容易很快的側翻掉。因此普通用到的舵機控制信號更新頻率很低。四軸為了能夠快速反映，以應對姿態變化引發的飄移，需要高反映速度的電調，常規PPM電調的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這種控制所需要的速度，且PPM電調MCU內置PID穩速控制，能對常規航模提供順滑的轉速變化特性，用在四軸上就不適宜了，四軸需要的是快速反映的電機轉速變化。用高速專用電調，IIC總線接口傳送控制信號，可達成每秒幾百上千次的電機轉速變化，在四軸飛行時，姿態時刻能夠保持穩定。即使受到外力忽然沖擊，仍舊安然無恙。無刷電機：電機分為有刷電機和無刷電機，無刷是四軸的主流。它力氣大，耐用。正反槳：四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉方向是不同的，因