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航模、无人机及其遥控器的发展与挑战

航模、无人机及其遥控器的发展与挑战  

       ------深圳市乐迪电子谢波  

 

  航模运动发源于20世纪初,1940年后在中国开始兴起。早期多为无控制或线控,无线遥控设备在上世纪70年代逐渐成为主流。2003年前航模设备主要由日本,德国,韩国,台湾等地生产,其中有日本FUTABA,JR,HEROROB,SANWA,HIROBO;德国GRAUPNER;韩国HITECH;台湾雷虎,先豪,亚拓。其中雷虎和先豪早期进入中国投资设厂,为中国大陆积蓄了人才。 

  在2003年后中国本土企业纷纷成立,由于掌握了遥控和陀螺技术的开始制造航模,由于物美价廉,同类产品不到日本五分之一价格,致使在美国市场爆发式的增长。此段时期较为知名的有深圳易思凯的四通道共轴双桨机型的价格LAMA V3,以其工艺精良,外观精致广受欢迎。广州华科尔的的LAMA V2,深圳科乐科的阿帕奇,深圳瑞科达为美国hobbico ODM的3D直升机HELI-MAX CP400.  

 

  随着整机的发展,形成了专业设备如遥控,飞控(早期的是陀螺仪),充电器,电子调速器等设备厂商。其中遥控器前期投资大,涉及飞机功能,无线通讯,结构外观等专业性技术,而其特别容易受外界环境影响,其稳定性对整个飞行器有决定性影响。经过数年的发展已经打破国外品牌一统天下局面。甚至在国外已经稳步占领市场。其发展也经历以下多个阶段。

 

FM低频模拟调制时代。

 

  从2001年至2008年,航模遥控器多用35MHz,40MHz,72Mz三个专属属于频段,每个频段可使用带宽为1MHz且各国规定不同,如日本不可以用72MHz。彼时调制使用模拟FM调制,PPM信号,各家遥控和接收互相兼容,配不同频点可拔插晶体(如72.180MHz,72.890MHz)来区分,同一场地同一波段最多6个人可以互不干扰的使用。该时期国外品牌主要是FUTABA,JR,HITECH。国内先后有深圳振华,易思凯,广州华科尔,西安孵化,深圳乐迪,环球飞,天地飞,东莞富斯,广州驰远,无锡日冠(仅做接收机)。其中日冠的二次混频接收机性能超越国内外所有同行,在国际市场上享有盛誉,是国产品牌首次超越日本FUTABA,JR等大品牌。 

 

2.4G数字调制时代。 

 

  随着模友群的日渐增大,同一场地经常频率撞车,造成飞机靠近谁的遥控会被就近的遥控抢夺控制权。更大带宽的数字调制成为航模发展的趋势。ISM(Industrial Scientific Medical)频率资源中的2.4G(2400MHz~2483.5MHz)波段为全世界开放波段,此波段可无需授权使用 只要符合各国无线标准,如美国FCC,欧盟CE,任何电子设备均可使用。自2008年起,航模遥控器进入了2.4G时代。在这场通信技术的升级中,厂商格局发生了变化,国外日本FUTABA,JR依然是行业引领者,美国SPECTRUM借2.4G占领了美国大部分市场,德国GRAUPNER和韩国HITECH由于性价比低使用者日少。国内彼时厂家为华科尔,富斯,天地飞,乐迪,驰远,深圳艾特,兴耀华,麦克,无锡睿思凯。现在国内市场上主要有天地飞,富斯,乐迪,睿思凯。在国外市场富斯凭借价格优势一度保有量较高,睿思凯利用成熟强大的开源软件加上其一流的硬件设计水平其产品性能为模友称道,现在特别是美国市场上受欢迎度超越美国本土品牌SPECTRUM,乐迪自2015年推出新品后在国内外占有率逐月上升。 

 

2.4G扩频技术应用。 

 

  由于2.4G为开放波段,加上wifi,蓝牙等电子设备也使用同样波段。ISM有83.5MHz带宽,远比专属的低频波段如72MHz的1MHz带宽高,可以允许同时使用更多遥控器,加上数字调制后可配置每台遥控的ID,避免了互控危险。但因为是开放波段,遥控之间,不同品牌遥控器,遥控器和其他设备如wifi的相互干扰日益严重,特别是近年来家庭wifi的普及和城市wifi的建设,使得wifi无处不在。之前难得失控的遥控器如FUTABA也遇到来自其他品牌遥控器和城市wifi的干扰,也出现遥控距离变近或遭遇失控。抗干扰已经是遥控器厂商无法回避甚至决定生死的课题。扩频通信是抗干扰的最有效技术。最常用的扩频通信有直接序列扩频,简称DSSS(direct sequence spread spectrum)和跳频扩频,简称FHSS(frequency hoppoing spread spectrum).FUTABA的ASST技术属于FHSS,睿思凯采用的是FHSS技术,华科尔,天地飞,乐迪采用的是DSSS技术。其中睿思凯和futaba最新遥控器采用了美国TI的CC2500,FSK数据调制技术,睿思凯使用开源程序,该开源程序使用了FHSS扩频技术。华科尔,天地飞采用美国CYPRESS 的CYRF6936,使用芯片自带的FSK调制的DSSS技术。乐迪T7F,T8F等T系列采用TI的CC2500,AT9,AT10的A系列采用的是TI CC2533自带的QPSK调制的DSSS技术。富斯使用的是台湾笙科电子的A7105,采用的是FSK调制,芯片不自带扩频功能。  

 

2.4G COFDM图传遥控二合一无人机时代。 

 

  自2012采用无人机飞控在各种飞行器,特别是多旋翼上了应用,出现了FPV(first person view)超视距飞行。由于采用了姿态控制,气压定高,GPS定点的无人机飞控技术,相机三轴云台稳定系统,极大促进了FPV。这对实时的图像传输产生了需求,目前DIY市场上主要是5.8G模拟传输配合2.4G遥控(使用不同波段防止互相干扰)。2015年大疆广泛采用上海酷芯微无线方案,采用遥控和图传都使用2.4G波段的无线整合链路,其中遥控采用低速率窄带的FHSS扩频通信,图传采用信道可叠加的高频谱利用率COFDM(类似手机4G技术)宽带传输,COFDM在同等频率带宽下能传输远比实际需求更高的速率(好比手机4G和3G),以较低的速率来获得更远的传输距离,遥控和图传使用不同信道,实现了远距离遥控和高清数字图传的互不影响的无线整合,当然也包含了飞行器状态信息的回传。 

 

遥控器的挑战。 

  随着飞行器的不断变化,对遥控器的要求也跟着变化,同时电磁环境的也提出了新的技术要求。挑战主要来自功能、通信和工业设计三个方面。 

功能挑战。 

  飞行器经历了固定翼,直升机,多旋翼三个界限分明时代。2003年之前主要使用固定翼遥控飞机,2003年后随着陀螺仪技术的成熟,大大降低了直升机的操作难度,直升机成为出货主流。2012大疆在德国纽伦堡成功站展出多旋翼飞机,由于采用了先进的无人机飞控技术,大大降低飞机生产难度同时,让无飞行经验的人也能操控飞机,瞬间成为压倒性主流产品。纵观飞行器的发展变迁,用得了,用得好,用得起,这三用决定了产品的命运。随着直升机和固定翼飞控技术的发展,谁又能保证现在的格局不再改变?多旋翼飞控的S-BUS接口,OSD信息回传,在线升级等对遥控器提出了新要求。一台专业的遥控器应该能支持主流机型人性化使用,而遥控器上每种机型的正确设置需要设计者深入了解相应机型的所有机种功能,这需要长时间的实践和积累,同时须要及时同步市场变化需求,根基和创新兼备。这种长期看不到的投入对企业是一种挑战。  

 

通信挑战。 

  在频率资源有限,无线设备越来越拥挤的当今,遥控器已经面临多种干扰的威胁,通信技术的突破是唯一途径。扩频通信已经成为必须。扩频技术中DSSS可以抗同频干扰,但遇到大带宽的强干扰信号其误码率显著升高,FHSS不能抗同频干扰但可避干扰,其中DSSS是芯片自带的,FHSS需要软件实现,因为遥控器属于单向通信通信中无握手协议,芯片参数各不相同,无现成技术可用,需要厂家自行设计通信算法,其实时性要求非普通无线设备可比拟,一旦算法不成熟将会造成无干扰环境的失步性假死机,这也是国内厂家基本没采用的重要原因。DSSS结合FHSS的双扩频技术可大大提升遥控器的抗干扰性能,目前基本可解决受干扰困惑。随着OFDM技术成本的下降,这将是未来方向。 

 

工业设计。 

  工业设计不仅要在外观让现有模友接受喜爱,还要在人体工程学,实际功能操作上做到人性化,界面的UI风格,设计者必须要有使用体验,由于缺乏综合性人才,国内厂家大多选择低风险的模仿设计。即使有非模仿的独立设计,能被接受的实在不多。大疆遥控属于完全自己的工业设计,受到用户喜爱,但属于非专业通用遥控器,乐迪AT9属于较为大部分模友接受的是独立设计。 

  经过差不多十年的积累发展,目前中国品牌遥控器已不在是处在入门级,已经在功能上与国际品牌高端产品PK,在国际市场上份额逐渐增加,但底蕴还欠缺,还没有能完全自己创新的产品面世,还需持续的耐力和攻关。每次的产品升级既是机遇也是危机。每次升级换代也有一批行业翘楚甚至王者陨落。厚积薄发,积极迎新,创新做好自己在每次产品升级中获得的就是机遇。