Общее устройство FPV дрона. Часть 4

Видео система в FPV

Видео система в FPV – совокупность передающего и приёмного модуля осуществляющих трансляцию видеоизображения с бортовой камеры на очки/шлем/монитор оператора посредством какого-либо канала связи.

Камера

Курсовая камера – устройство, предназначенное для передачи изображения в режиме реального времени через аналоговые либо цифровые видеопередатчики.

В курсовых камерах используется два формата изображения: 4:3 и 16:9. Этот параметр не имеет никакого отношения к разрешению изображения, это просто форма экрана. 4:3 — это формат старых кинескопных телевизоров, а 16:9 — как у современных компьютеров и HD видео.

TVL (TV Lines) — это параметр, характеризующий разрешение аналоговых камер.
Число – количество черных и белых линий, которые могут быть отображены на картинке горизонтально. Камера 600TVL может отобразить 300 черных и 300 белых линий поочередно в одном кадре. Наиболее часто встречаемые камеры имеют 380, 480, 540, 600, 700, 800, 1200 TVL.

PAL имеет стандарт 720 x 576, 25 кадров в секунду.

NTSC передает видео в формате 720 x 480, 30 кадров в секунду.
Разница между PAL и NTSC в разрешении изображения и частоте кадров. PAL дает большее разрешение, NTSC – больше кадров в секунду. Нужно отличное изображение - PAL. Нужно более плавное видео - NTSC.

Матрица CCD. Меньше проявляется эффект «желе». Меньше шума при плохом освещении. Лучше управление экспозицией

Матрица CMOS. Обычно меньше задержка видеосигнала (это хорошо). Выше разрешение, но больше цифрового шума. Более натуральные цвета. Камеры для ночной съемки стали использовать CMOS, а не CCD. Обычно дешевле, следовательно, самые дешевые курсовые камеры на CMOS матрицах. Больше подвержены эффекту «желе»

Светочувствительность измеряется в LUX, соответственно, чем меньше значение - тем лучше. Фактически считаем нули после запятой и чем их больше, тем лучше камера будет "видеть" при недостаточной освещенности.

Ночные камеры. Это сверхчувствительная камера для ночных полетов. Камера выводит только черно-белые изображения, однако она прекрасно работает при дневном свете. Камеры оснащена высокочувствительным CMOS-сенсором. Это обеспечивает четкое и детализированное изображение даже при низкой освещенности. Благодаря встроенной ИК-подсветке, камеры способны обеспечивать видеонаблюдение на расстоянии до 200 метров в условиях полной темноты.

Тепловизионные камеры. Эти камеры являются более дорогостоящими, но позволяют работать в любое время суток, по любым объектам, имеющим тепловой след. Качество картинки, в этом случае, напрямую зависит от разрешения используемой матрицы камеры.

По опыту, тепловизионные камеры устанавливаются совместно с обычными курсовыми камерами и реализуется механизм переключения с пульта день/тепло, позволяющий подключение двух камер.

Видео-передатчик (VTX)

Видеопередатчик (VTX) - устройство, которое получает видеосигнал с курсовой камеры дрона, далее преобразовывает его в видеосигнал определенной частоты и передает на приёмник. Представлены в различных вариациях, мощностях и на различные диапазоны частот.

Существует два вида передачи сигнала:

Аналоговый – наиболее применимый в наших условиях и также наиболее подверженный зашумлению извне. Сигнал состоит из одной непрерывной радиоволны на определённой частоте.
Цифровой – менее применимый из-за стоимости данной системы, сигнал состоит из двоичного кода, зашифрован.

Видеопередатчики могут работать на различных радиочастотах. Для боевых дронов характерно использование альтернативных частот для обхода систем РЭБ противника, таких как 1,2 ГГц, 1,5 ГГц 3,3 ГГц, 4.9 ГГц, 5,8 ГГц. При этом диапазоны постоянно расширяются. Актуальность диапазонов в большей степени зависит от радиоэлектронной обстановки (РЭО) на рабочем направлении.

Аналоговый видеосигнал более устойчив к воздействию средствами РЭБ. При воздействии РЭБ на картинке появляются помехи, но нет притормаживания или зависания, как в случае цифрового сигнала. Это дает возможность оператору контролировать дрон, наблюдая за полетом сквозь помехи.

Вместе с тем, аналоговый сигнал легко ретранслируется, достаточно соединить вместе приемник и передатчик и настроить их на частоты передачи с дрона и приемника для очков оператора.

Выходная мощность - это определение, сколько энергии излучает видеопередатчик в процессе работы. Большая мощность означает большую дальность. Мощность передатчика (ТХ мощность) измеряется в Вт, мВт или дБм. Большинство видеопередатчиков имеют минимальную мощность в 25 мВт. Так как все излучающие компоненты нагреваются при работе, эта мощность позволяет производить настройку включенного дрона, летать в помещении и на расстояния не дальше 150 м. 200 мВт, 400 мВт, 800 мВт, 1.6 Вт, 2.5 Вт, 5 Вт и даже 10 Вт - эти мощности позволят улететь на расстояния свыше 10 км. Стоит учитывать, что чем выше мощность, тем быстрее разряжается аккумулятор, так как возрастает электропотребление.

Диапазон сигнала

5.8 ГГц. Самый популярный диапазон. Так как передатчик работает на короткой (низкой) волне, это означает что вы будете видеть самую четкую картинку с минимумом помех и минимальной задержкой. Но есть и обратная сторона, так как волна короткая, то и огибающая способность сигнала будет меньше, а значит, если улететь за большие препятствия, то будут помехи или вообще потеря связи.
1.3 ГГц. Такая частота используется в квадрокоптерах и самолетах дальнего радиуса действия, так как сигнал с длинными волнами хорошо проходит через препятствия, такие как деревья, постройки и так далее, Но видео, которое передается по такой частоте, 3начительно хуже по качеству, чем в более высокой частоте - это обусловлено тем, что такая частота несет в себе меньше данных.
4.9 ГГц. Является модификацией частоты 5.8ГГц. Так как, немногие приемники имеют в себе этот диапазон, то вероятность перехвата картинки со стороны противника уменьшается.
3.3 ГГц. Альтернативная частота, которая включает в себя характеристика как 5.8 ГГц, так и 1,2 ГГц.

Поддержка каналов

Канал - это часть одной и той же частоты, но поделенной на равные промежутки этой частоты, чтобы была возможность использовать их другим пилотам, в теории одновременно могут летать сразу 40 и более пилотов, при этом, каждый будет использовать частоту 5.8 ГГц, но у каждого будет свой диапазон сигнала. Некоторые 5.8 ГГц VТХ поддерживают 80 канала, в некоторые входят альтернативные частоты 4.9 ГГц.

На практике в одном диапазоне, в непосредственной близости с приёмом приемлемой картинки, возможно летать шести операторам

Напряжение
Некоторые видеопередатчики требуют определенный диапазон напряжения, при выборе учитывайте этот параметр. Например, многие видеопередатчики имеют большой диапазон входного напряжения - от 7 до 24V, поэтому можно не беспокоиться и использовать в качестве источника питания контакт Vbat на ПК (напряжение аккумулятора Li-Pо 2-6S).

Механизм переключения каналов и мощности

Существует несколько вариантов переключения:

DIP - круговой. Используется на некоторых VTX 1.2 ГГц. Кнопки - сейчас самый популярный вариант, просто нажимаете в определенном порядке кнопку и будет меняться канал, например, 2-В, 3-А и так далее. О смене вам будут сигнализировать светодиоды на VTX.
При помощи SmаrtАudiо - канал выбирается сразу, без необходимости перебора. Выбор производится через меню на дисплее очков или шлема, при помоши пульта дистанционного управления (ПДУ).

Поддержка протоколов управления VTX. Для управления параметрами FРV видеопередатчиков при помощи ПДУ и SmаrtАudiо часто используются протоколы IRC Тrаmр и TBS SmаrtАudiо. Для этого видеопередатчики оснащаются разъемом ТХ, или Data, IRC, S-Audio. Каждый производитель пишет по-разному.

IRC Тrаmр и TBS SmаrtАudiо фактически протоколы, реализованные на однопроводном UART, то есть полудуплексном UART (FС и VТХ постоянно находятся в режиме прослушки, FС шлет запрос/команду и начинает слушать. VTХ отвечает на запросы, выполняет команды. С помощью этих протоколов полетный контроллер может регулировать настройки видеопередатчика.

Параметрами регулировки являются мощность, диапазон и канал передачи, что также позволяет запрограммировать видеопередатчик на передачу на максимальной мощности, когда дрон находится дальше, и уменьшить мощность передачи, когда он ближе. Либо заставить дрон передавать видео только тогда, когда он заармлен (ARM), а при дизарме (DISARM) сделать так, чтобы видеопередатчик переходил в режим PIT-MODE (сигнал не будет доступен пилотам, находящимся далее полуметра). Также следует добавить, что абсолютно все видеопередатчики можно подключить в двух вариантах:

С подключением к ПК и наложением OSD на картинку с камеры;
Подключением напрямую к камере без наложения OSD.

Модули передачи изображений 1,2G.
Введение функции задержки:
3 DIP - переключателя управляют временем задержки изображения в соответствии с различными режимами DIP. Конкретное время задержки следующее:

Первый способ набора: например: 1 клик, 2 клика и 3 клика. Задержка равна 0.
Второй способ набора номера: например: 1 вниз, 2 вниз, 3 вверх. Задержка на 20 секунд.
Третий способ набора номера: например: 1 вниз, 2 вверх и 3 вниз. Задержка на 40 секунд.
Четвертый способ набора номера: например: 1 вниз, 2 вверх, 3 вверх. Задержка на 60 секунд.
Пятый способ набора номера: например: 1 вверх, 2 вниз и 3 вниз. Задержка на 80 секунд.
Шестой способ набора номера: например: 1 вверх, 2 вниз и 3 вверх. Задержка на 120 секунд.
Седьмой способ набора номера: например: 1 вверх, 2 вверх и 3 вниз. Задержка на 140 секунд.
Восьмой способ набора номера: например: 1 вверх, 2 вверх, 3 вверх. Задержка на 160 секунд.

Антенна видео-передатчика (VTX)

Антенна превращает электромагнитное излучение в электрический сигнал и наоборот. Антенны для FPV обеспечивают беспроводную связь между видеопередатчиком и приемником. Они очень сильно влияют на качество сигнала и радиус уверенного приема.

Существует два типа антенн, в зависимости от поляризации сигнала:

Антенна с линейной поляризацией
Антенна с круговой поляризацией, далее они делятся на антенны с левой поляризацией (LHCP) и правой (RHCP), где антенна LHCP не принимает RHCP и наоборот.

Также антенны делятся на направленные и ненаправленные (всенаправленные).

Применяются следующие виды антенн: диполь, клевер, патч, пагода.

Обладают различным коэффициентом усиления, измеряющимся в dB.

Разъемы для антенны
Разъемов для антенн множество, но самые популярные это SMA, UFL и MMCX. Самым надежным и качественным является SMA разъем, он не допускает отсоединения антенны при вибрации, он имеет самые маленькие потери качества видео сигнала, минусом у него является большой размер, поэтому существует миниатюрные разъёмы - это ММСХ и UFL. Они довольно хрупкие и выдерживают чуть более 30 циклов монтаж-демонтаж, используются на мини-дронах.

Приемник управления (RX)

Управление – процесс передачи управляющих сигналов в каналах связи.

Приёмник (RX) принимает и интерпретирует сигналы управления, отправленные передатчиком (TX), передавая их на полётный контроллер.

Он преобразует эти сигналы в действия, такие как регулировка скорости оборотов двигателей или изменение положения дрона в пространстве.

Работают как на стандартном диапазоне частот 868-915 мГц либо 2,4 Гц, так и на нестандартных диапазонах от 150 до 2700 мГц.

Основными и наиболее применяемыми для нас являются следующие системы радиосвязи иностранного производства:

TBS Crossfire;
Express LRS.

Также будут встречаться и отечественные экземпляры:

Кузнечик
Пеппа и др.

«diversity» – технология, которая позволяет автоматически выбирать лучший сигнал, принимаемый обеими антеннами. С какой лучше, с такой и произойдет передача команды на FC.

Связь между RX и полётным контроллером (FC) является проводной. Желательно, чтобы протокол имел низкую задержку. Задержка — это время, которое требуется приёмнику, чтобы «преобразовать» сигнал от передатчика в сигнал, который он отправит на полетный контроллер. Чем меньше задержка, тем быстрее дрон будет реагировать на ваши команды.

Некоторые протоколы RX являются универсальными и используются в приёмниках разных производителей, но некоторые могут быть эксклюзивными для определённых брендов.

Разные компоненты используют разные протоколы, например, RX и FC должны быть двуязычными: они принимают на одном языке и передают на другом языке (вывод)

Протоколы делятся на 3 группы:

Протоколы TX — связь между передатчиком (TX) и приёмником (RX)
Протоколы RX — связь между приёмником (RX) и полётным контроллером (FC)
Протоколы ESC – связь между полетным контроллером и регулятором оборотов (ESC)

CRSF - двоичный протокол применяется для передачи данных управления квадрокоптерами по радиоканалу.

Функциональные возможности протокола CRSF:

Высокая скорость передачи данных с низкими задержками между RC - TX и RX - FC.
Двунаправленный обмен данными. Передача телеметрии летающей платформы на пульт управления (RC).
Редактирование конфигурации для устройств, подключенных напрямую или удаленно (RC может конфигурировать FC или OSD по протоколу CRSF).

ESC protocols – протоколы взаимодействия ПК с регуляторами моторов:
PWM (ШИМ) -> OneShot -> Multishot -> Proshot -> Dshot (самый надёжный, быстрый, функциональный)
RX protocols – протоколы серийной проводной передачи данных (устройство – устройство):
PWM (универсальный), SPI_RX (универсальный), … , SBUS (Futaba, Frsky), CRSF (ELRS, TBS)
TX protocols – беспроводные протоколы радиосвязи:
PWM, ACCST->ACCESS (Frsky), … , TBS Tracer, TBS Crossfire, ExpressLRS
Отечественные производители связи - Кузнечик, Радуга, Коралл, Пеппа

Антенна управления (RX)

Приемная антенна управления (RX) — это антенна подключённая к приемнику на дроне, которая принимает и передает сигналы управления, отправленные передатчиком (TX).

Аккумулятор

FPV дроны в большинстве случаев питаются от литий-полимерных (LiPo, Li-Po) аккумуляторных батарей, которые способны накапливать и обеспечивать наибольшим количеством энергии при небольшом весе.

Аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов — банок/ячеек. Поэтому они и называются батареи — набор одинаковых элементов.
Ниже привожу несколько применяемых типов батарей:

Литий-полимерные (LiPo) - отличаются повышенной токоотдачей, что подходит для гоночных полётов и фристайла. Чаще всего встречаются в работе.

Литий-ионные (Li-ion). Используются на дальнолётах, так как отдают энергию дольше. Однако токоотдача у них меньше, чем у LiPo. Данные аккумуляторы имеют больший вес и используются для долгих полётов (от 15 до 40+ минут).

Литий-полимерные высокого напряжения (LiHV/UHV) - полностью заряженный LiHV аккумулятор имеет большее напряжение, чем обычный LiPo. Следовательно, это увеличивает мощность и дальность полёта.

2S1P – сборка батареи. S – последовательное включение ячеек, P – параллельное. 3S2P означает батарею из трех последовательно соединенных групп ячеек, в каждой из которых по два элемента включено параллельно.
При последовательном включении аккумуляторных элементов суммируется напряжение, при параллельном — суммируется ток. Если ячейки включатся только последовательно, то надпись 1P может исключаться.