如今無(wú)人機成為了展會(huì )最大的熱點(diǎn)之一，大疆（DJI）、Parrot、3D Robotics、AirDog等知名無(wú)人機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大、能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物的飛行器。無(wú)人機在2015年已經(jīng)迅速地成為現象級的熱門(mén)產(chǎn)品，甚至我們之前都沒(méi)有來(lái)得及細細研究它。與固定翼無(wú)人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩定，能在空中懸停。主機硬件結構及標準遙控器的結構如下圖。

 

四軸飛行器系統解析圖

 

遙控器系統解析圖

 

以上只是標準產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發(fā)燒友和航拍用戶(hù)們的無(wú)人機系統，還會(huì )要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統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(guò)來(lái)的指令，控制四個(gè)馬達帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)現飛行或懸停的功能。意法半導體高級市場(chǎng)工程師介紹，無(wú)人機/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/馬達控制、飛機姿態(tài)控制以及云臺控制等。目前主流的電調控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

 

新唐的MCU負責人表示： 多軸飛行器由遙控， 飛控，動(dòng)力系統， 航拍等不同模塊構成， 根據不同等級產(chǎn)品的需求，會(huì )采用到不同CPU內核。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)力驅動(dòng)功能；中高階多軸飛行器則采用內建 DSP 及浮點(diǎn)運算單元的， 負責飛行主控功能，驅動(dòng)無(wú)刷電機的電調（ESC）板則采用MINI5(＄1.0889)系列設計。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， 內建ARM9及H.264視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應用于2.4G及5.8G的航拍系統。

 

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。由于對于飛行控制方面主要都是浮點(diǎn)運算，簡(jiǎn)單的ARM Cortex-M4內核32位MCU都可以很好的滿(mǎn)足。有的傳感器MEMS芯片中已經(jīng)集成了DSP，與之搭配的話(huà)，更加簡(jiǎn)單的8位單片機也可以做到。

 

 

 

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(wú)人機是基于高通Snapdragon芯片開(kāi)發(fā)出來(lái)的飛行控制器，它有無(wú)線(xiàn)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(wú)人機。這款無(wú)人機采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周?chē)h(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(wú)人機是與一家德國工業(yè)無(wú)人機廠(chǎng)商Ascending Technologies合作開(kāi)發(fā)，內置了高達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(lái)處理距離遠近與傳感器的實(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展示如此強大功能的無(wú)人機，一是看好無(wú)人機的市場(chǎng)，二是美國即將推出相關(guān)法規，對無(wú)人機的飛行將有嚴格的管控。

 

此外，活躍在在機器人市場(chǎng)的歐洲處理器廠(chǎng)商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無(wú)人機領(lǐng)域。XMOS公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)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(wú)人機/多軸飛行器的OEM客戶(hù)采用。在這些系統中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內部通信。

 

 

Paul Neil說(shuō)：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個(gè)之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。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立地執行系統控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）開(kāi)銷(xiāo)。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得我們的客戶(hù)能夠實(shí)現非常精確的控制算法，同時(shí)在系統內無(wú)抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無(wú)人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應用用戶(hù)的關(guān)鍵之處。”

 

多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷電機（馬達），用來(lái)驅動(dòng)無(wú)人機的旋翼。而馬達驅動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位MCU來(lái)做控制，但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達的方案。

 

 

某無(wú)人機方案商總經(jīng)理認為，目前業(yè)內的玩具級飛行器，雖然大部分從三軸升級到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費類(lèi)產(chǎn)品如平板或手機上較常用的價(jià)格敏感型型號。在專(zhuān)業(yè)航拍以及專(zhuān)為航模發(fā)燒友開(kāi)發(fā)的中高端無(wú)人機上，則會(huì )用到質(zhì)量更為價(jià)格更高的傳感器，以保障無(wú)人機更為穩定、安全的飛行。

 

這些MEMS傳感器主要用來(lái)實(shí)現飛行器的平穩控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過(guò)程中的俯仰角和滾轉角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉動(dòng)，進(jìn)而達到穩定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統。

 

至于用MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴(lài)加速度計，也不能單純依賴(lài)陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說(shuō)陀螺儀輸出的是角速度，要通過(guò)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函數的疊加，受此影響，在積分的過(guò)程中，必然會(huì )引進(jìn)累計誤差，積分時(shí)間越長(cháng)，誤差就越大。這就需要加速度計來(lái)校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過(guò)重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒(méi)有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動(dòng)狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見(jiàn)的算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來(lái)算出角度變化。

 

 

ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢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角速度變化，但實(shí)際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會(huì )帶來(lái)較強烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì )在飛行過(guò)程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會(huì )帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達就會(huì )誤動(dòng)作，最后給終端用戶(hù)的直觀(guān)感覺(jué)就是飛行器并不平穩。

 

除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會(huì )造成輸入轉速超過(guò)陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應實(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(guò)量程，陀螺便會(huì )產(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯誤的角速度。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的陀螺儀在設計的時(shí)候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構，采用差分輸出的原理來(lái)抑制這種“共模”的沖擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會(huì )產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。

 

“對于飛行器來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是安全，無(wú)論它的硬件設計還是軟件設計，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶(hù)體驗。”

 

“未來(lái)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用。由于飛行器的應用場(chǎng)景一般都是戶(hù)外，客戶(hù)勢必會(huì )做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠(chǎng)前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會(huì )是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當然可靠性依然是最重要的指標。”他認為。

 

隨著(zhù)無(wú)人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來(lái)越多地被用到無(wú)人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)出可自動(dòng)避撞的無(wú)人機，以滿(mǎn)足將來(lái)相關(guān)法規的要求。集成了GPS傳感器的無(wú)人機則可以實(shí)現一鍵返航功能，防止無(wú)人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無(wú)人機，可以在軟件中設置接近機場(chǎng)或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機起飛。

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