Quadcopter – wprowadzenie do systemu FPV cz1

fpv_zmr250Zapraszam do kolejnego wpisu na temat budowy quadcoptera od podstaw – tym razem omówię system FPV, jakie części wybrać, oraz skąd zamówić. Trochę to trwało zanim postanowiłem opisać FPV, bo tak jak w przypadku budowy samego quada, wolałem najpierw wszystko zamówić, poskładać, uruchomić i przetestować, dojść do pewnych wniosków, a na koniec brać się za pisanie – i myślę że to właściwa kolejność, co by nie pisać kompletnych bzdur :)

Wprowadzenie

fpv_7inchFPV – First Person View – widok pierwszej osoby, czyli system wideo umożliwiający podgląd obrazu na żywo, prosto z pokładu modelu RC. Operator na ziemi widzi na ekranie lub w goglach to samo co oko kamery zamontowanej na modelu w powietrzu, i na podstawie tego obrazu steruje modelem. Lot wykonywany w taki sposób zapewnia jeszcze więcej zabawy jak w sposób tradycyjny, oferuje więcej możliwości, lecz pole widzenia operatora jest w takim przypadku bardzo ograniczone a orientacja w przestrzeni i ocena odległości utrudnione, więc ryzyko wypadku jest tutaj odpowiednio większe, jakość przekazywanego obrazu i niezawodność połączenia wideo ma tutaj ogromne znaczenie.

Opiszę teraz wszystkie podzespoły wchodzące w skład systemu FPV, na początek kamerka.

Kamera z matrycą CMOS czy CCD

fpv_cameraCCD to technologia starsza, bardziej prądożerna, droższa, i w pewnych zastosowaniach powolniejsza względem CMOS, jednak sprawdzi się u nas dużo lepiej. CCD posiada większą czułość i dużo mniejsze szumy własne, więc kamera taka zapewnia bardzo dobry obraz nawet wieczorem, gdzie CMOS szumi i potrzebuje dłuższego czasu naświetlania. Matryca CCD o wiele lepiej poradzi sobie z przechwytywaniem obrazu „pod słońce”, nie oślepi ono tak kamery i cała reszta otoczenia będzie dobrze widoczna. Po drugie, ze względu na inny sposób działania CCD, dane są odczytywane z całej matrycy na raz, przez co jest uznawana za powolniejszą w stosunku do CMOS, gdzie można odczytać pojedynczy wybrany piksel. Ale nie tutaj. Zapewne wiesz jakim efektem obarczone jest poruszone zdjęcie z komórki (lub zdjęcie szybko poruszającego się obiektu), którego aparat ma matrycę CMOS – zdjęcie wychodzi przesunięte i zniekształcone, co teoretycznie nie powinno wystąpić. Dzieje się tak dla tego, że pojedyncze piksele są odczytywane kolejno, przez co zanim odczytane zostaną wszystkie od góry do dołu, obraz który wpada przez obiektyw zdąży się już zmienić. W przypadku CCD taki efekt nie występuje ponieważ matryca „łapie” cały obraz całą swoją powierzchnią jednocześnie i go „zapamiętuje” do późniejszego odczytania, i nie ważne z jaką prędkością będzie ono następowało. Ma to spore znaczenie, ponieważ jak wiesz w multicopterze występuje cała masa drgań różnego pochodzenia, których nigdy do końca nie wyeliminujemy. W przypadku matrycy CMOS obraz często będzie pofalowany i będzie wyglądał jak galareta, a w przypadku CCD takiego efektu ubocznego nie doświadczymy, niezależnie od wielkości drgań.

Szerokość kąta widzenia kamery

camera_lensKilka słów o optyce kamery, bo kupując kamerę będziemy musieli podjąć decyzję. Czym kąt widzenia węższy tym oczywiście mniej widać, co ma znaczący wpływ na orientację w terenie. Czym kąt szerszy tym widzimy więcej i lepiej się orientujemy, lecz ocena odległości może być bardzo utrudniona, a rozpoznawanie szczegółów ograniczone ponieważ musi więcej ich się zmieścić na tej samej matrycy. 3.5mm to optyka bardziej naturalna, 2.1mm to optyka o bardzo szerokim kącie widzenia, tzw rybie oko. Kamery przeznaczone do FPV przeważnie wyposażone są w obiektyw 2.8mm który daje lekko poszerzone pole widzenia, i jest to chyba takim złotym środkiem, ale zamawiając kamerę warto dołożyć 2$ i zamówić dodatkowy obiektyw aby mieć jakieś porównanie.

Transmisja cyfrowa czy analogowa

analog

Pomimo solidnego rozwinięcia się techniki cyfrowej, pewne rzeczy w pewnych zastosowaniach są po prostu niezastąpione – mowa o przekazie obrazu w sposób analogowy dla FPV, tak samo jak w przypadku „przestarzałego” CCD. Najważniejszą rzeczą jest tutaj minimalizacja opóźnień w przekazie wideo, czym mniejsze opóźnienia tym bardziej aktualny obraz widzimy, szybciej możemy zareagować, szybsze i dokładniejsze manewry możemy wykonywać – co kompletnie nie byłoby możliwe gdyby obraz na ziemię docierał choć z pół sekundowym opóźnieniem. Technika analogowa, choć ogranicza jakość obrazu i jego rozdzielczość (o czym będzie za chwilę), nie wspiera żadnego szyfrowania (każdy może zobaczyć obraz który nadaje nasz multicopter), jest pod tym względem nie do pobicia ponieważ nie wprowadza praktycznie żadnych opóźnień – o ile przetwornik kamery i przetwornik ekranu nie wprowadzają własnych opóźnień, to opóźnienie samej prędkości rozchodzenia się fal magnetycznych jest tu całkowicie pomijalne i można śmiało stwierdzić że mamy podgląd w czasie rzeczywistym.

digital

Transmisja cyfrowa pomimo wielu zalet, takich jak rozdzielczość HD (lub nawet wyższa) i szyfrowanie obrazu, z uwagi na sposób w jaki działa, zawsze będzie wprowadzała dosyć istotne opóźnienia. W tym przypadku aby przesłać jedną klatkę obrazu, cały system musi wykonać kolejno czynności: nadajnik wideo musi poczekać aż jego bufor zapełni się danymi z kamery, skompresować je, wysłać, a nadajnik odebrać, poczekać aż zapełni się cały bufor danych, i dopiero móc je odkodować i przekazać do wyświetlenia – opóźnień w takim przypadku nie da się uniknąć. Po drugie – zakłócenia. Zakłócony przekaz analogowy będzie po prostu mniej lub bardziej przyozdobiony wojną mrówek, ale przekaz będzie płynny i nie stracimy z tego powodu orientacji jeśli będą to chwilowe zakłócenia lub utrata zasięgu. W przypadku przekazu cyfrowego, zależnie od zastosowanego kodeka i systemu, zgubione informacje niemożliwe do odkodowania spowodują silne zniekształcenie lub nawet zanik obrazu nawet na kilka sekund. Można to świetnie zaobserwować w podczas odbioru cyfrowej telewizji naziemnej w złą pogodę. Dekoder obrazu w tunerze po zgubieniu kilku klatek przez pewien czas wyświetla silnie zniekształcony obraz, aż do czasu otrzymania klatki kluczowej która go naprawia. Klatka kluczowa zawiera pełną informację o obrazie, a zwykłe klatki następujące po niej zawierają tylko informację o różnicy kolejnej klatki od poprzedniej, dzięki temu informacje takie zajmują mniej miejsca – tak działa (w bardzo dużym uproszczeniu) kompresja kodeka wideo. Przekaz analogowy jest od takich problemów wolny.

W gotowych quadach można się spotkać z „systemami FPV” z przekazem cyfrowym, np za pomocą WiFi na ekran smartfona. Taki obraz należy traktować tylko jako poglądowy do określenia położenia, czy do wykadrowania obrazu który chcemy nagrać – z powodu dużych opóźnień i zakłóceń nie powinno się w taki sposób sterować maszyną.

Powstają ostatnio systemy FPV HD, tworzone specjalnie z myślą o FPV, bo to chyba jedyne ich zastosowanie (stąd tak powolny rozwój), obraz jest jak żyleta a opóźnienia bardzo małe, lecz jest to transmisja cyfrowa wraz z jej wadami – całkowita utrata obrazu przy częściowej utracie zasięgu. Inna wada to cena. Niestety jeszcze będziemy musieli poczekać aż ta technologia trafi pod strzechy.

PAL, NTSC, ilość linii TVL

pal_ntsc_mapPAL oraz NTSC to standardy nadawania koloru w sygnale telewizyjnym. NTSC to standard wprowadzony w Ameryce Północnej i przesyła 525 linie obrazu (wyświetla 480) przy 30 klatkach na sekundę przy rozdzielczości 640×480, a PAL (ulepszony następca NTSC) to system wprowadzony w Europie i przesyła 625 linii obrazu (wyświetla 576) przy 25 klatkach na sekundę i rozdzielczości 768×576. Tak na prawdę ilość linii nie ma bezpośredniego przełożenia na rozdzielczość, bo przekaz analogowy nie przesyła pikseli, przesyła tylko linie wideo które tworzą cały obraz. Liczba wyświetlanych linii dla PAL to 576 więc rozdzielczość pionowa to 576, a rozdzielczość pozioma 768 wynika po prostu z rozciągnięcia obrazu tak aby zachować jego proporcje 4:3. Mieszkając w Europie, trzymajmy się PAL, czyli systemu odpowiedniego dla naszego rejonu, wszystkie odbiorniki / nagrywarki na naszym rynku będą go obsługiwały, co z NTSC nie jest takie pewne. W przypadku gdy odbiornik nie będzie obsługiwał danego standardu, obraz będzie po prostu czarno-biały, lub w ogóle się nie wyświetli. Ilość przesyłanych linii nie równa się ilości linii wyświetlanych. W przypadku systemu PAL przesyłanych jest 625 linii, ale wyświetlanych już tylko 576 – pozostałe linie zawierają informacje o kolorze, synchronizacji, itd – potrzebne dla prawidłowego wyświetlenia obrazu.

tvlTVL – TeleVision Lines – ilość linii, w telewizji analogowej ilość linii obrazu kamery jest wskaźnikiem jej rozdzielczości, lecz ciągle jest to rozdzielczość SD. W przypadku kamer, liczba TVL nie ma bezpośredniego przełożenia na liczbę linii na wyjściu analogowym, bo te działa w PAL lub NTSC i ma z góry narzucone limity. Przetwornik kamery zamieniając odczytany obraz cyfrowy z matrycy zamienia go na sygnał analogowy, skalując ilość linii do odpowiedniego standardu. Jeśli kamera ma np 400, 500, lub 600 linii, to obraz w odbiorniku będzie w jakości odpowiedniej dla tej kamery. Jeśli kamera ma 700 lub więcej linii, różnica w jakości nie będzie już tak duża bo obraz będzie zeskalowany a przesłanych linii będzie i tak tylko 625 (a faktycznie wyświetlonych jeszcze mniej, bo 576), ale jakość zawsze będzie wyższa. Można to porównać do filmu nagranego kamerą 1080p i zeskalowanego do 480p, z filmem nagranym kamerą 480p bez skalowania – wiadomo że ten pierwszy będzie miał nieco wyższą jakość.

Ilość linii to nie wszystko, należy zwracać uwagę na opinie, na to jaki chipset pracuje w kamerce, jaką ma matrycę, jakie techniki poprawy obrazu zastosowano. Często jest tak że kamera ma 700 czy więcej linii tylko po to aby móc ją lepiej sprzedać – a potem okazuje się że obraz jest gorszy od kamerki 600 linii, a do tego nie jest w 100% kompatybilna ze standardem PAL czy NTSC i nakładka OSD zwyczajnie nie poradzi sobie z takim sygnałem. Po za tym zanim podejmiesz jakiekolwiek decyzje, uświadom sobie że obraz widziany na ziemi jest na prawdę mizernej jakości w porównaniu z tym który często można zobaczyć na YouTubie – ten drugi często jest nagrany osobną kamerą HD zamontowaną na pokładzie. Obraz analogowy jest tak słaby, że nie zobaczysz gałązek drzew czy linii wysokiego napięcia, dopóki na nie nie wpadniesz.

Osobne kamery do nagrywania i FPV

mobius_cBrzmi to dziwnie i sam byłem zdziwiony. Większość małych kamerek nagrywających, choćby tani mobius (na zdjęciu), posiadają dodatkowe analogowe wyjście video, przez które mogą wysyłać obraz do nadajnika, jednocześnie wykonując nagranie. Więc czemu tak wiele osób decyduje się na dodatkowe koszta i dokładanie dodatkowej wagi montując na pokład dwie osobne kamerki? Otóż kamerki do nagrywania posiadają matrycę CMOS i wszystkie jej wady, wprowadzają dodatkowe (często nie tak małe) opóźnienie w obrazie, występuje problem z nasyceniem kolorów, często nie radzą sobie w trudnych warunkach oświetleniowych. Wieczorem, przy pochmurnej pogodzie, lot w kierunku słońca, „nagłe” zmiany oświetlenia (wylot z cienia prosto na słońce lub choćby obrócenie się w powietrzu w kierunku słońca) – za to dobra (ale i tania) kamerka CCD przeznaczona typowo do monitoringu lub FPV posiada szereg rozwiązań które pozwolą zobaczyć wszystko nawet w trudnych warunkach oświetleniowych. Jeśli planujesz również kupić kamerkę do nagrywania lotu, kup taką z analogowym wyjściem wideo, i sam sprawdź czy jakość obrazu z tego wyjścia jest zadowalająca. Jeśli będzie źle (kiepski monitor to dodatkowo spotęguje) to możesz dokupić dedykowaną kamerkę.

Uwaga – niektóre kamery nagrywająco – wysyłające potrafią się zawiesić lub wyłączyć w locie, przez co stracimy całkowicie obraz. Nie dotyczy to jedynie tanich kamerek breloczkowych, ale również gopro, który czasem lubi się wyłączyć.

Ekran FPV czy gogle FPV

fpv_7inch2Nie rozpiszę się tutaj o różnicach w doznaniach pomiędzy tymi dwoma, ponieważ na goglach nie przyszło mi jeszcze latać, kosztują one jednak swoje. Ekran to opcja tania. Albo wykorzystujemy starą matrycę po laptopie z dokupionym przetwornikiem i montujemy w walizce / naziemnej stacji bazowej, albo kupujemy mały 7 calowy monitorek i montujemy go na aparaturze – w obydwu przypadkach koszt takiego rozwiązania to około 150-200zł (Chiny). Wady tego rozwiązania to bardzo słaba widoczność w słońcu (trzeba latać przy pochmurnej pogodzie lub kryć się w cieniu) i fakt że ciężko się skupiać przez cały czas na takim monitorze. Gogle wideo są bardzo wygodne, zakładamy i zapominamy o rażącym słońcu, widzimy obraz z lotu ptaka. Niestety – ceny za chińskie gogle o kiepskiej rozdzielczości zaczynające się od 900zł to nieporozumienie. Te lepsze to koszt 2000zł. Może kiedyś :)

fpv_blue_screenJeśli składamy lub kupujemy gotowy ekran, warto wiedzieć dwie rzeczy. Po pierwsze Blue Screen – jest to niebieski ekran który lwia większość ekranów wyświetla zamiast obrazu gdy nie dostaje prawidłowego sygnału AV na wejściu, lub gdy sygnał ten jest słaby. Powrót z tego trybu do wyświetlania obrazu zajmuje zwykle trochę bardzo cennego czasu. Jedne urządzenia wstawiają te tło nawet przy minimalnym zaniku sygnału, inne dopiero po całkowitym, a niestety obraz wideo odbierany na ziemi będzie mniej lub bardziej zaśnieżony w zależności od tego jak daleko latamy i w jakich warunkach. Jak nietrudno się domyśleć, wybrany monitor nie może reagować na taki sygnał niebieskim tłem, bo zwyczajnie się roztrzaskamy. W tym przypadku należy wybrać sprawdzone i przetestowane rozwiązania.

fpv_poor_resolutionDruga rzecz – rozdzielczość. W tanich ekranach będzie niska, choć sama kamera i link wideo będą zapewniały dużo większą jakość. A to przekłada się z kolei na jakość zabawy i na bezpieczeństwo, tutaj również należy kierować się opiniami. Oczywiście ekran od laptopa zapewni dobrą jakość obrazu, nawiązuję tutaj do małych gotowych monitorków. Tanie gogle FPV to również dosyć słaba rozdzielczość która będzie dawała się we znaki, dopiero droższe gogle zapewnią dobry obraz.

usb_dvr_captureJeszcze jedną opcją, w zasadzie najtańszą, jest kupienie taniej karty do przechwytywania AV na USB – koszt około 50-60zł (kraj) lub 30zł (Chiny). Do latania zabieramy laptopa, który będzie wyświetlał obraz w dobrej jakości, jednocześnie umożliwiając jego nagrywanie. Wady takiego rozwiązania są trzy – pierwsza to opóźnienia które wygeneruje cyfrowe przetwarzanie obrazu przez system, choć nie powinny być one aż tak ogromne. Druga to przycięcia obrazu powodowane jednoczesnym nagrywaniem – niedoskonałość programów przechwytujących. Trzecia wada znacznie poważniejsza – zawodność. Komputer jak to komputer, lubi pomielić dyskiem, przywiesić się, wyskoczyć z jakąś aktualizacją, lub może zaskoczyć nas w inny sposób zasłaniając lub minimalizując okno z wyświetlanym obrazem – jest to zbyt niepewne rozwiązanie, i nie zaryzykowałbym chyba takiego latania.

Nakładka OSD

fpv_osdOSD – On Screen Display – nakładka graficzna lub tekstowa na obraz, zawierająca potrzebne informacje. Informacje takie jak stan baterii i zużytej energii, wysokość nad poziomem gruntu, sztuczny horyzont, lokalizacja geograficzna GPS, kierunek powrotu do miejsca startu, oraz cały szereg innych informacji które można przesłać przy okazji wraz z sygnałem wideo. System OSD wpina się w sygnał wideo na pokładzie modelu pomiędzy kamerę a nadajnik.

Przed zakupem zestawu OSD + kamera, należy się upewnić że te dwa podzespoły będą ze sobą współpracowały – czytamy komentarze i opinie. Czasem można trafić na przypadek gdzie OSD w ogóle nie będzie się wyświetlało gdy kamera wysyła sygnał nie do końca zgodny ze standardem PAL lub NTSC. Często jest to kwestia ustawienia odpowiedniego standardu w tych samych urządzeniach, ale czasem urządzenia po prostu nie będą mogły się dogadać, zazwyczaj występuje to przy kamerach z większą ilością linii, np 700 czy 750. Można użyć też droższego OSD na innym układzie który lepiej poradzi sobie z niestandardowym sygnałem.

fpv_minimosdTani i popularny OSD to MinimOSD, malutka płytka drukowana z generatorem nakładki OSD w postaci układu MAX7456 oraz układem AVR sterującym całością, na płytce znajduje się także przetwornica 12V do 5V aby całość bezproblemowo zasilić z szyny 12V systemu wideo. I tak jak w przypadku płytki Flip32, na tą również istnieje kilka alternatywnych wersji oprogramowania do wyboru, każde oferuje trochę inne możliwości – w kolejnych częściach opiszę zmianę oprogramowania, modyfikację sprzętową, i konfigurację tej płytki.

…multicoptery – spis wszystkich tematów

4.00 avg. rating (83% score) - 3 votes

2 komentarze

  1. W opisie matryc jest chochlik. Jest dobrze tyle, że odwrotnie. Matryca CMOS mniej szumi i wymaga krótszego czasu naświetlania;)

    Na marginesie bardzo fajna seria artykułów.

    Pozdrawiam

  2. Dzięki za artykuł, bardzo mi pomógł!

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: