【前言】
大家好我是詮鼎的FAE，我是Allen。
今天的主題是最近很紅的東西，就是無人機。
我們將探討如何使用 LoRa硬體搭配ExpressLRS (ELRS) 協定，利用其高性能、超低延遲的特點，來打造一架無人機。
1. 無人機分類：選擇適合的平台
照片1： 多旋翼與固定翼無人機的對比圖。
在開始之前，我們必須先了解無人機的主要分類，無人機依照功用與配置大致上可以分為兩類：
1.多旋翼無人機 (Multirotor)： 它結構簡單、懸停穩定，是入門的最佳選擇。例如四軸機 (Quadcopter)，結合 FPV (第一人稱視角) 技術，非常適合競速和穿越飛行。
LoRa高性能、超低延遲的特點非常適合用在這裡，也是我們這次的重點
2.固定翼無人機 (Fixed-wing)： 雖然續航力更長，適合長距離巡航，或是國土測量等，但由於起降和複雜的空氣動力學要求，技術門檻較高。
2. 五大核心系統 架構
照片2： 五個平鋪方塊，分別代表五大系統。
一架無人機可以被分解為五個關鍵系統：
1. 飛控系統（Flight Control）:簡稱FC是大腦兼小腦，處理輸出與輸入的訊號，並且儲存設定，使⽤ELRS建議的ESP32作為核⼼MCU
2 .動力系統（Dynamic System）:提供起飛的動力，由馬達、電調(ESC)和螺旋槳組成。
3. 通訊系統（Communication System）：我們的專長：使用LoRa技術與ELRS協定，提供低延遲、常距離的可靠鏈路。
4. 導航系統（Navigation System）：定位與導航，包含IMU(Inertial Measurement Unit，慣性量測單元)可選配GPS模組。
5. 能源系統（Power System）：動力來源，使用高效率的電池，提供穩定且輕盈的方案。
3. 硬體連接 示意圖
照片3： FC、ESC、Motor、Receiver 之間連接關係的簡化圖。
這張圖展示了無人機的核心訊號流：
●指令輸入： 遙控器通過 LoRa 鏈路將指令傳輸給接收機 (RX)。
●運算處理： 接收機通過 CRSF 協定 將指令傳給 ESP32 飛控核心。
●執行輸出： 飛控核心執行 PID 運算後，將精準的訊號傳輸給電調 (ESC)。
●動力輸出： 電調控制馬達轉速，實現最終的飛行姿態調整。
請注意，整個控制鏈路中最關鍵的「空中橋樑」，正是由 Semtech LoRa 晶片所實現的高速無線電鏈路。
4. 無線核心：Semtech LoRa
照片4： Semtech SX1262 晶片的特寫圖。
Semtech 的 LoRa 晶片是實現 ExpressLRS 超低延遲和長距離控制的物理基礎。
●高靈敏度： 它的接收靈敏度極高，可達 -148 dBm。這意味著即使訊號極微弱，它也能有效接收，實現超視距（Beyond Visual Line of Sight, BVLOS）的控制潛力。
●擴頻技術： LoRa 獨特的擴頻技術使其具有出色的抗干擾能力，這在多雜訊的飛行環境中至關重要。
●SX1262 優勢： 相較於前代 SX1276，SX1262 屬於 LoRa Gen 2，具有更低的功耗和更小的尺寸，對於我們這種追求續航和輕量化的 DIY 專案來說是首選。
5. 模組方案：Reyax LoRa
照片5： Reyax RYLR682 等 LoRa 模組的實體圖。
Semtech 提供了核心晶片，但我們透過 Reyax 的模組來實現快速開發。
●高整合度： Reyax 模組已經將複雜的射頻電路和匹配網路整合完畢，大幅降低了我們 DIY 或產品開發時的 RF 設計難度。
●介面友好： 提供標準的SPI介面，可以直接且方便地與我們的 ESP32 飛控核心進行數據交換。
●性能保證： Reyax 模組出廠時已校準，能確保我們獲得 Semtech 晶片的最佳射頻性能，直接相容於 ELRS 協定。
6. DIY 零件清單
照片6： 組合零件的示意圖。
這是我們小型四軸機的標準配置。
●控制核心： 我們指定使用 ESP32 核心的飛控板，配合 Semtech SX1262 晶片的 ELRS 接收機。
●動力配置： 建議使用 5 吋碳纖維機架和高電流的 4 合 1 電調 (ESC)，確保飛行動力充足。
●工具： 請務必準備好高品質的焊接工具，因為無人機的穩定性極度依賴焊接質量。
7. 硬體組裝：焊接與連接
照片7： 飛控板上的焊接點或焊接中的線路圖。
硬體組裝的成功關鍵在於焊接：
1.動力焊接： 馬達的三根相線必須焊接到 ESC 上，而主電源線 ($\text{XT60}$) 必須焊接牢固，注意極性。
2.控制連接 (RX)： 接收機 (搭載 Reyax LoRa 模組) 的訊號線需要焊接到 ESP32 飛控核心的 SPI 埠上。
(安全提示) 務必在焊接完成後檢查有無虛焊或短路，並用熱縮管或電工膠帶做好絕緣。
8. 軟體配置：ExpressLRS Configurator
照片8： ExpressLRS Configurator 的燒錄界面截圖。
硬體完成後，我們進入軟體環節。
1. 韌體目標： 使用 ExpressLRS Configurator 為我們的 TX 模組和 ESP32 接收機燒錄最新的 ELRS 韌體。
2. 關鍵步驟： Binding Phrase (對頻密鑰) 必須設置一致。這是確保您的遙控器只能控制您的無人機的唯一方法。
3. 性能優勢： 透過 ELRS，我們實現了領先業界的 1000Hz 刷新率和極低的延遲，這對於無人機的精準控制是至關重要的。
9. 軟體配置：Betaflight 設定
照片9： Betaflight Configurator 的 Ports 或 Receiver 頁面截圖。
飛控韌體 (如 Betaflight) 需要知道如何接收 ELRS 傳來的資料。
1.Ports 頁面： 我們必須在正確的UART埠上啟用 "Serial Rx" 選項。
2.Receiver 頁面： 必須將模式設定為 Serial-based，並選擇我們的 CRSF (Crossfire) 協定。CRSF 協定能夠高效地傳輸高刷新率的 ELRS 數據。
3.馬達測試： 在正式飛行前，必須在軟體中測試馬達的轉向和響應，確保一切正常 (注意：此時必須拆下螺旋槳！)。
10. 準備起飛
結合 Semtech LoRa 晶片在長距離、高靈敏度上的優勢，配合 Reyax 模組的高整合度，以及 ELRS 協定的超低延遲特性，我們已經完成了一架高性能 DIY 無人機的打造。
(最後提醒) 請務必：
1.安裝螺旋槳： 確保方向正確。
2.安全檢查： 檢查電池電壓和所有連接點是否牢固。
3.法規遵守： 務必在空曠、安全、且符合當地法規的場地進行試飛。
►場景應用圖
►展示板照片
►方案方塊圖
►核心技術優勢
1. LoRa無線傳輸與接收端: 此處我們選擇Reyax的LoRa模組，尺寸適中，接線簡單之外，不用做RF匹配線路是最大的優勢。 2. 微處理器端 : 利用非常容易取得並且CP值很高的ESP32，支援度與第三方開發軟件都很容易找到。 3. 通訊協定端 : 使用開源的ELRS通訊協定，相容性高且簡單使用。 4. 極高的靈敏度：最高可達-148dBm，意味即使訊號極度微弱也能建立通訊，才能達到超越視線的連線能力。
►方案規格
◎ 型號: RYLR682 ◎ 使用芯片 : SEMTECH LoRa SX1262 ◎ 頻率 : 858 ~ 938MHz ◎ 傳輸介面 ： SPI ◎ 工作電壓 ： 3.3V ◎ 電流消耗 ： 接收：5.3 mA，發射：107 mA，睡眠：600nA ◎ 輸出功率 ： +22dBm ◎ 資料速率：18 ~ 62500bps ◎ 接收靈敏度 : -104 ~ -148dBm ◎ 重量 ： 0.73g ◎ 工作溫度 ： -40 ~ +85℃