【導(dǎo)讀】無人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級(jí)的熱門產(chǎn)品，甚至我們之前都沒有來得及細(xì)細(xì)研究它。這里多家公司專家給出了相關(guān)的看法，大家一起來了解無人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以及它今后的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)吧。
在今年CES上無人機(jī)成為了展會(huì)最大的熱點(diǎn)之一，大疆(DJI)、Parrot、3D Robotics、AirDog等知名無人機(jī)公司都有展示他們的最新產(chǎn)品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強(qiáng)大、能夠自動(dòng)避開障礙物的飛行器。無人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級(jí)的熱門產(chǎn)品，甚至我們之前都沒有來得及細(xì)細(xì)研究它。
與固定翼無人機(jī)相比，多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1:四軸飛行器系統(tǒng)解析圖
標(biāo)準(zhǔn)的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如圖2。
圖2：遙控器系統(tǒng)解析圖
以上只是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級(jí)的如針對(duì)航模發(fā)燒友和航拍用戶們的無人機(jī)系統(tǒng)，還會(huì)要求有云臺(tái)、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收等更多模塊。
在四軸飛行器的飛控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具級(jí)飛行器還只是簡(jiǎn)單地在空中飛行或停留，只要能夠接收到遙控器發(fā)送過來的指令，控制四個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)現(xiàn)飛行或懸停的功能。
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意法半導(dǎo)體高級(jí)市場(chǎng)工程師任遠(yuǎn)介紹，無人機(jī)/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調(diào)/馬達(dá)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制以及云臺(tái)控制等。目前主流的電調(diào)控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制，意法半導(dǎo)體的STM32F051以及STM32F301系列因其高集成度，小封裝以及超值的性價(jià)比被業(yè)界廣泛采用。在飛機(jī)姿態(tài)控制方面，根據(jù)外部傳感器的不同，意法半導(dǎo)體可以提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列對(duì)應(yīng)客戶的需求。云臺(tái)控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于客戶的航拍產(chǎn)品當(dāng)中。另外，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應(yīng)用于傳統(tǒng)的不帶顯示的類型之外，STM32F429由于內(nèi)置TFT彩屏驅(qū)動(dòng)也正在逐漸用在帶彩屏顯示的遙控器當(dāng)中。
新唐的MCU負(fù)責(zé)人表示: 多軸飛行器由遙控, 飛控,動(dòng)力系統(tǒng), 航拍等不同模塊構(gòu)成, 根據(jù)不同等級(jí)產(chǎn)品的需求, 從8051, Cortex-M0, Cortex-M4到ARM9的不同CPU內(nèi)核, 新唐科技已有多款 MCU 被應(yīng)用在多軸飛行器：例如小四軸的飛行主控, 因功能單純, 體積小, 必須同時(shí)整合遙控接收, 飛行控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)功能, 采用QFN33或TSOP20 封裝的Cortex-M0 MINI54系列；中高階多軸飛行器則采用內(nèi)建 DSP 及浮點(diǎn)運(yùn)算單元的Cortex-M4 M451系列, 負(fù)責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的電調(diào)(ESC)板則采用MINI5系列設(shè)計(jì)。低階遙控器使用 SOP20 封裝的4T 8051 N79E814；中高階遙控器則采用Cortex-M0 M051系列。另外, 內(nèi)建ARM9及H.264視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應(yīng)用于2.4G及5.8G的航拍系統(tǒng)。
在飛控主板上，目前控制和處理用得最多的還是MCU而不是CPU。由于對(duì)于飛行控制方面主要都是浮點(diǎn)運(yùn)算，簡(jiǎn)單的ARM Cortex-M4內(nèi)核32位MCU都可以很好的滿足。有的傳感器MEMS芯片中已經(jīng)集成了DSP，與之搭配的話，更加簡(jiǎn)單的8位單片機(jī)也可以做到。
今年CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器，他們采用了比微控制器(MCU)更為強(qiáng)大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。
例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器，它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機(jī)。這款無人機(jī)采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周圍環(huán)境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動(dòng)避免障礙物。英特爾的無人機(jī)是與一家德國工業(yè)無人機(jī)廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)置了高達(dá)6個(gè)英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(dòng)(Atom)處理器的PCI-express定制卡，來處理距離遠(yuǎn)近與傳感器的實(shí)時(shí)信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強(qiáng)大功能的無人機(jī)，一是看好無人機(jī)的市場(chǎng)，二是美國即將推出相關(guān)法規(guī)，對(duì)無人機(jī)的飛行將有嚴(yán)格的管控。
此外，活躍在在機(jī)器人市場(chǎng)的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無人機(jī)領(lǐng)域。XMOS公司市場(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)拓展副總裁Paul Neil博士表示，XMOS的xCORE多核微控制器系列已被一些無人機(jī)/多軸飛行器的OEM客戶采用。在這些系統(tǒng)中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內(nèi)部通信。
Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數(shù)量在8到32個(gè)之間的、頻率高達(dá)500MHz 的32位RISC內(nèi)核。xCORE器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實(shí)時(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨(dú)立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)開銷。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)無抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無人機(jī)/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。”
意法半導(dǎo)體也透露，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構(gòu)，集高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理、高集成度，為有高精度控制的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency(動(dòng)態(tài)效率)微控制器系列在動(dòng)態(tài)功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設(shè)計(jì)更加完美。
多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(jī)(馬達(dá))，用來驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器就是用來控制無人機(jī)的速度與方向。原則上一顆馬達(dá)需要配置一顆8位MCU來做控制，但筆者也有看到一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達(dá)的方案。
無人機(jī)方案商深圳富微科創(chuàng)電子有限公司總經(jīng)理陳一民認(rèn)為，目前業(yè)內(nèi)的玩具級(jí)飛行器，雖然大部分從三軸升級(jí)到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費(fèi)類產(chǎn)品如平板或手機(jī)上較常用的價(jià)格敏感型型號(hào)。在專業(yè)航拍以及專為航模發(fā)燒友開發(fā)的中高端無人機(jī)上，則會(huì)用到質(zhì)量更為價(jià)格更高的傳感器，以保障無人機(jī)更為穩(wěn)定、安全的飛行。
ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝介紹，ADI的工業(yè)級(jí)陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工業(yè)級(jí)加速度計(jì)ADXL203、 ADXL278等被廣泛用于專業(yè)級(jí)的航拍設(shè)備上。而商業(yè)級(jí)的加速度計(jì)ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也一直被廣泛應(yīng)用于一體機(jī)及各種飛行器中。
這些MEMS傳感器主要用來實(shí)現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)控制和輔助導(dǎo)航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，是因?yàn)镸EMS傳感器可以檢測(cè)飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化，在檢測(cè)到角度變化后，就可以控制電機(jī)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS傳感器測(cè)量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計(jì)，也不能單純依賴陀螺儀，這是因?yàn)槊糠N傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。這就需要加速度計(jì)來校正陀螺儀，因?yàn)榧铀俣扔?jì)可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由于沒有積分誤差，所以加速度計(jì)在相對(duì)靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度計(jì)輸出的可信度就要下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補(bǔ)濾波，結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀的輸出來算出角度變化。
趙延輝表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢(shì)就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制，陀螺對(duì)加速度也是敏感的，就是我們?cè)谕勇輧x數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來較強(qiáng)烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢(shì)必會(huì)帶來陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉(zhuǎn)彎，可能會(huì)造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測(cè)試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應(yīng)該是飽和輸出，待轉(zhuǎn)速恢復(fù)到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)實(shí)時(shí)的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會(huì)產(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯(cuò)誤的角速度。還有某些情況下，飛行器會(huì)受到較大的加速度沖擊，理想情況陀螺儀要盡量抑制這種沖擊，ADI的陀螺儀在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準(zhǔn)確測(cè)量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會(huì)產(chǎn)生非常大錯(cuò)誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。
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“對(duì)于飛行器來說，最重要的一點(diǎn)就是安全，無論它的硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶體驗(yàn)。ADI的MEMS傳感器設(shè)計(jì)理念恰好跟此想吻合，我們的MEMS傳感器首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性，而后才是追求極致的指標(biāo)。根據(jù)客戶實(shí)測(cè)反饋，在飛行器誤操作，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會(huì)受任何影響，而其它某些陀螺儀會(huì)出現(xiàn)非常大零點(diǎn)偏移。ADI的加速度計(jì)在受到?jīng)_擊后，也不會(huì)產(chǎn)生任何可靠性問題，而其它某些加速度計(jì)則會(huì)以很大概率出現(xiàn)完全沒有輸出的現(xiàn)象。這些用戶實(shí)測(cè)出來的差異，都是得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種極端情況的充分考慮。”趙延輝說。
“未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì)向集成化方向發(fā)展，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產(chǎn)品，甚至是SOC，把處理器也集成進(jìn)去，直接提供角度輸出供后端處理器調(diào)用。由于飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景一般都是戶外，客戶勢(shì)必會(huì)做全溫范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償，而在出廠前就對(duì)MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補(bǔ)，或者是設(shè)計(jì)超級(jí)低溫漂的傳感器，都會(huì)是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)然可靠性依然是最重要的指標(biāo)。”他認(rèn)為。
陳一民認(rèn)為，隨著無人機(jī)的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機(jī)上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來開發(fā)出可自動(dòng)避撞的無人機(jī)，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機(jī)飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無人機(jī)，可以在軟件中設(shè)置接近機(jī)場(chǎng)或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機(jī)起飛。
作為娛樂級(jí)的無人機(jī)，可能只需要用到傳輸?shù)倪b控技術(shù)，2.4GHz或5.8GHz的無線遙控都可以滿足。雖然433MHz頻段穿透性強(qiáng)，通訊距離遠(yuǎn)，可以最遠(yuǎn)傳輸達(dá)2公里，但由于其抗干擾能力弱，遙控?zé)o人機(jī)或飛行器上都不太采用。2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片有很多家芯片廠商都可以提供，一直以來都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多。
多軸無人機(jī)由于可以非常穩(wěn)定的飛行，在裝戴云臺(tái)和相機(jī)后，可以在高空中拍攝視頻，并通過無線通信(5.8G、WIFI或LTE)即時(shí)傳輸?shù)降孛?，其用途更加廣泛。合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專案處長(zhǎng)潘健章認(rèn)為，四軸航拍飛行器已經(jīng)從少數(shù)的用途(交通監(jiān)控、大氣監(jiān)控、城市規(guī)劃、邊境巡防、災(zāi)情監(jiān)視、監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)莊稼生長(zhǎng)與病蟲害情況、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、邊疆巡航、城市反恐等)，開始走向大眾消費(fèi)者(航拍)，成為一款智能硬件商品。
目前博通公司的Wi-Fi和藍(lán)牙組合芯片已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)上，在控制信號(hào)傳輸和視頻傳輸上均有涉獵。應(yīng)用于無人機(jī)上的WLAN芯片主要特性為同時(shí)維護(hù)視頻信道和控制信道的可靠性和穩(wěn)定性。這些芯片擁有先進(jìn)的接收架構(gòu)、高接收靈敏度，以及各種先進(jìn)的信道管理能力，其中就包括針對(duì)高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術(shù)。“博通的WICED 開發(fā)套件支持Linux，Android和基于RTOS設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，”博通公司無線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)Brian Bedrosia說。
在無人機(jī)的視頻傳輸方面，深圳大疆DJI無人機(jī)早就是航拍無人機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。他們可以無線傳輸1080P高清視頻，這是其它眾多國內(nèi)娛樂無人機(jī)廠商目前沒有解決的問題。一般的做法是在云臺(tái)搭載相機(jī)，高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時(shí)看到拍攝畫面，所以還不能滿足航拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠(yuǎn)距離能達(dá)600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清(1080P或4K)轉(zhuǎn)碼成720P，再轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)竭b控器顯示屏上，技術(shù)上也較復(fù)雜，并且畫面會(huì)有馬賽克、停頓或卡死。畫面質(zhì)量也不夠好，用到專業(yè)航拍還有距離，適合普通愛好者娛樂。
目前專業(yè)WiFi芯片廠商還沒有開發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無線高清視頻傳輸?shù)男酒?，包括博通與高通都沒有。但是無人機(jī)市場(chǎng)如此火熱，無線芯片廠商已經(jīng)在著手計(jì)劃推出專用芯片。“未來我們將會(huì)看到能同時(shí)與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組，”博通公司 Brian Bedrosian表示。
在專用芯片推出之前，一種采用軟件定義無線電的方法解決了無線遠(yuǎn)距離和高帶寬傳輸?shù)拿?。在ADI公司的軟件定義無線電(SDR)技術(shù)問世之前，RF工程師可以通過分立器件去實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高帶寬的無線傳輸，但是方案既復(fù)雜成本也很高，開發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，不太適合用于消費(fèi)類的產(chǎn)品上。
ADI半導(dǎo)體高級(jí)客戶應(yīng)用經(jīng)理章新明介紹，公司的AD9561/64系列集成式RF收發(fā)器已經(jīng)被大量應(yīng)用到無人機(jī)。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn) 70MHz至6.0GHz可調(diào)頻率范圍，200kHz至56HHz的通道帶，可輕松實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的較遠(yuǎn)距離的高清無線圖傳。”章新明說，“同時(shí)它還可以傳輸指令，無人機(jī)的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC。”
雖然無人機(jī)前景被一致看好，但事實(shí)上無人機(jī)仍然還面臨很多技術(shù)上的難題，包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼的設(shè)計(jì)、更遠(yuǎn)程的控制與通信、以及在軟件上如何更方便的操控來普及產(chǎn)品等。這些方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，隨著眾多公司在無人機(jī)上的研發(fā)不斷投入都有可能解決，但還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題，困擾著無人機(jī)，尤其是專業(yè)航拍級(jí)的無人機(jī)廠商。
專業(yè)航拍無人機(jī)定價(jià)動(dòng)輒高達(dá)上萬塊RMB，同時(shí)還搭載高端的相機(jī)或攝像機(jī)。在使用過程中，哪怕是出現(xiàn)一次故障，造成無人機(jī)墜機(jī)，都會(huì)給消費(fèi)者帶來重大的損失，甚至是地面人員的人身安全。在專業(yè)論壇中被發(fā)燒友們稱為“炸機(jī)”的無人機(jī)墜機(jī)事件不斷發(fā)生，專業(yè)航拍廠家為此最為頭痛，主要原因是基本上即使是有事故視頻，甚至是飛機(jī)“殘骸”，技術(shù)人員也不能斷定事故真正的原因。
無人機(jī)制造廠偉力玩具的技術(shù)總監(jiān)翟占超他本人也是一位多年的航模發(fā)燒友，他認(rèn)為“炸機(jī)”的原因算歸納起來有兩種：一種原因是生產(chǎn)與安裝過程中不夠好，出現(xiàn)機(jī)械方面的問題；另一種是信號(hào)與軟件算法的問題。
翟占超表示要徹底解決這個(gè)無人機(jī)飛行器的墜機(jī)很難?，F(xiàn)在裝配的問題比較容易發(fā)現(xiàn)和避免的，比如調(diào)速器行程不一致，連線不夠牢靠，機(jī)身震動(dòng)，結(jié)構(gòu)裝配不到位等，這些問題在飛機(jī)動(dòng)作量大時(shí)很容易導(dǎo)致失控。最嚴(yán)重的是飛控自身存在的不穩(wěn)定很可怕，不定時(shí)的會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤，比如由于環(huán)境原因造成的磁場(chǎng)錯(cuò)亂、GPS信號(hào)弱、遙控器失控以及電池突然沒電等。他認(rèn)為，現(xiàn)在的飛控上需要考慮到以上這些情況下的安全處理。
