查看“Matrix”的源代码

==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。

{| class="wikitable" border="1"
|+ 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40386633731 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40254810843 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40989325524 伟力V988]
| 
| 24.5×4.9×8
| 46.5
| 250
| 空心杯直流
| 无
| 5-7
| 不支持
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40989325524 伟力V930]
| 368（标配）
| 27×4.9×8
| 45
| 450
| 无刷直流
| 无
| 5-7
| 不支持
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40352723772 伟力V966]
| 
| 23.8×4.9×8
| 45
| 250
| 空心杯直流
| 无
| 5-7
| 支持
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40352723772 伟力V977]
| 408
| 27×4.9×8
| 58
| 450
| 无刷直流
| 无
| 5-7
| 支持
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=15482752614 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=12997950145 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=16514093257 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
|
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=17756222883 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
| 
|-
| [http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 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
|
|-
| [https://item.taobao.com/item.htm?id=42757110250 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
|-
| [https://item.taobao.com/item.htm?id=35142480150 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。

{| class="wikitable" border="1"
|+ 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
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40385729424 伟力V912]
| 328（标配）
| 52×8.5×15.5
| 
| 850×2S
| 有刷直流
| 有
| 8~10+
| 无
|
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=40402208401 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
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=18015492914 美嘉欣F45]
| 388（标配）
| 60×20×10
| 
| 1500×2S
| 
| 有
| 
| 无
|
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=23068068610 美嘉欣F46]
| 368
| 42（不含旋翼）×7.5×15
| 
| 700×2S
| 无刷直流
| 有
| 8-9
| 无
|
|- 
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=37674766570 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。

[http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 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[http://detail.tmall.com/item.htm?id=40402208401 伟力V913]有刷或无刷版，后期成品使用[http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 蓝飞翔HP100BL]。

====飞行控制器单元====

备选的飞行控制器硬件方案有[https://pixhawk.org/modules/pixhawk Pixhawk]和[http://store.3drobotics.com/products/apm-2-6-kit-1 APM 2.6]。APM的硬件已经不能支撑更多功能<ref name="APMdown">[http://copter.ardupilot.com/wiki/introduction/choosing-a-flight-controller/#pixhawk_vs_apm26_vs_px4 Choosing a Flight Controller] Pixhawk vs APM2.6 vs PX4</ref>，故选择Pixhawk。

飞行控制器硬件与[https://pixhawk.org/modules/pixhawk Pixhawk]兼容，以便应用Pixhawk的[https://pixhawk.org/choice 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[http://cn.element14.com/stmicroelectronics/stm32f427iih6/mcu-32bit-cortex-m4-180mhz-ufbga/dp/2393651 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[http://qgroundcontrol.org QGroundControl]、[http://planner.ardupilot.com/ Mission Planner]或者[http://planner2.ardupilot.com/ APM Planner 2]。

个人偏好QGroundControl，因为
* 图形界面令我满意
* written by engineers for engineers<ref name="QGCvsMP">[http://diydrones.com/xn/detail/705844:Comment:820614 QGroundControl vs MissionPlanner], Reply by Paul Mather on March 29, 2012 at 7:39pm</ref>
* 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[http://qgroundcontrol.org/mavlink/start MAVLink]，此协议同样出自Pixhawk团队之手。

由于[[Wikipedia:Internet of Things|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[[Wikipedia:Wi-Fi|Wi-Fi]]、[[Wikipedia:Bluetooth|蓝牙]]、[[Wikipedia:ANT (network)|ANT]]、[[Wikipedia:Zigbee|Zigbee]]和[[Wikipedia:6LoWPAN|6LoWPAN]]。下表大略地对我们关心的性能指标做了对比。

{| class="wikitable" border="1"
|+ 常见物联网协议性能指标比较
! 协议
| [[Wikipedia:Wi-Fi|Wi-Fi]] [[Wikipedia:IEEE_802.11n-2009|802.11n]]
| [[Wikipedia:Bluetooth|蓝牙]]
| [[Wikipedia:ANT (network)|ANT]]
| [[Wikipedia:Zigbee|Zigbee]]
| [[Wikipedia:6LoWPAN|6LoWPAN]]
|-
! 市售串口模块种类数量
| [http://s.taobao.com/search?q=wifi+%E6%A8%A1%E5%9D%97 多]
| [http://s.taobao.com/search?q=%E8%93%9D%E7%89%99+%E6%A8%A1%E5%9D%97 非常多]
| [http://s.taobao.com/search?q=ant+%E6%A8%A1%E5%9D%97 较少]
| [http://s.taobao.com/search?q=zigbee+%E6%A8%A1%E5%9D%97 多]
| [http://s.taobao.com/search?q=6lowpan+%E6%A8%A1%E5%9D%97 几乎没有]
|-
! 模块连续传输电流消耗/mA
| ~200<ref name="wifi电流">[https://nurdspace.nl/ESP8266#Power ESP8266 - NURDspace]以及庆科EMW3161模块实测</ref>
| ~20
|
| ~20
|
|-
! 户外节点最大间距/m
| 140<ref name="wifi比较">[https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11n-2009#Comparison IEEE 802.11n-2009 - Wikipedia, the free encyclopedia]</ref>、250<ref name="物联网比较PPT">[http://web.cse.ohio-state.edu/~xuan/courses/694/694_WIFI_BT_ZIGBEE_NFC.pptx WiFi, Bluetooth, ZigBee and NFC]</ref>
| 10（Class 2最低指标）<ref name="蓝牙距离">[http://www.bluetooth.com/Pages/Basics.aspx Basics | Bluetooth Technology Website]</ref>
| 
| 150<ref name="zigbee蓝牙距离">[http://item.taobao.com/item.htm?sid=43368501915 谷雨 ZG-M0 Zigbee模块参数]</ref>
| 
|-
! 理论数据速率/Mbps
| 1~150<ref name="wifi比较" />
| 3（EDR）<ref name="蓝牙速率">[https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth#Bluetooth_v2.0_.2B_EDR Bluetooth - Wikipedia, the free encyclopedia]</ref>
|
| 0.25
| 
|-
! 允许节点数量
| 50或64（WPA2）<ref name="wifi节点数">[http://superuser.com/a/639007 How many concurrent users can a single Wi-Fi AP handle?]， Spiff的回答</ref>，可扩充
| 7个Slave设备<ref name="蓝牙impelementation">[https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth#Implementation Bluetooth - Wikipedia, the free encyclopedia]</ref>
| 
| 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。

{| class="wikitable" border="1"
|+ 市面上常见的蓝牙模块
! 公司/型号
! 主芯片
! 协议
! 备注
|-
| [http://www.wavesen.com/probig.asp?id=10 汇承HC-05]
| CSR BC417
| 2.0
| 经典的蓝牙2.0透传模块
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=41250982708 创联发SH-H2]
| 不明
| 2.1EDR+4.0BLE“双模”
| 
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=43690467978 易联易通ELET114A]
| BCM20710
| 2.1EDR+4.0BLE“双模”
|
|-
| [http://item.taobao.com/item.htm?id=15999665356 华茂HM-12]/[http://item.taobao.com/item.htm?id=40204150735 HM-13]
| 不明
| 2.1EDR+4.0BLE“双模”
|
|-
| [http://detail.tmall.com/item.htm?id=43529754012 信驰达RF-BM-S02]
| CC2540
| 4.0、BLE
| 
|-
| [http://item.taobao.com/item.htm?id=17274811924 华茂HM-10]/[http://item.taobao.com/item.htm?id=19814612639 HM-11]
| CC2540
| 4.0、BLE
|
|}

调研过程中发现了[http://espressif.com/en/products/esp8266/ ESP8266]这款WiFi SoC有一个规模不小的[http://www.esp8266.com/ 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[http://www.esp8266.com/wiki/doku.php?id=esp8266-module-family 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：
# 每飞行器单元用一个处于从模式的蓝牙[https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/SPP.aspx SPP]（支持EDR）模块与主机（联想X系列笔记本）组成星形网络
# 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[[微型四旋翼#B型|B型微型四旋翼]]的飞行控制器使[http://detail.tmall.com/item.htm?id=23068068610 美嘉欣F46]玩具直升机完成姿态保持（俯仰、滚转）。

主要工作：
# 寻找[[微型四旋翼#B型|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
# 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
# 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
# 基于蓝牙串口模块、USB串口模块建立通信链路
# PID调参

=====Plan B=====

使用Pixhawk使[http://detail.tmall.com/item.htm?id=23068068610 美嘉欣F46]玩具直升机完成姿态保持飞行。

主要工作：
# 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
# 购买/寻找与Futaba T10CG发射机兼容的小型接收机
# 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[http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 蓝飞翔HP100BL]完成姿态保持飞行。

====Milestone 3====

使[http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 蓝飞翔HP100BL]在室外自动悬停。

====Milestone 4====

使4~6架[http://item.taobao.com/item.htm?id=42283579851 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==

[[Category:项目]]