盤點無人機飛控大腦與MEMS傳感器

制造一個大腦并不容易。大黃蜂的大腦中有100多萬個相互聯(lián)系的神經(jīng)元細胞，幫助它完成各種意識活動。2014年年末，一個科學(xué)家團隊曾給一個有輪子的樂高機器人安裝過一個數(shù)字蠕蟲大腦，但是這樣的大腦只有302個神經(jīng)元細胞。到目前為止，“綠色大腦計劃”團隊只重建了黃蜂大腦中與視覺有關(guān)的部分。但是這樣的成果已經(jīng)非常令人震驚了。無人機利用視頻攝像頭和人造大腦軟件沿著走廊飛行，飛行模式就和經(jīng)過訓(xùn)練完成同樣任務(wù)的大黃蜂一模一樣?，F(xiàn)在，這個虛擬大腦還只能追蹤位置的移動，而無法識別顏色或形狀。“綠色大腦計劃”的科學(xué)家希望，過一段時間能夠用數(shù)字重建完整的大黃蜂大腦，并制造出第一臺像大黃蜂一樣自動行動的機器人。但是現(xiàn)在，他們的重點還放在重建大黃蜂的視覺系統(tǒng)和嗅覺系統(tǒng)。

飛控的大腦：微控制器

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，控制四個馬達帶動槳翼，基本上就可以實現(xiàn)飛行或懸停的功能。意法半導(dǎo)體高級市場工程師介紹，無人機/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(diào)/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(diào)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(zé)人表示： 多軸飛行器由遙控， 飛控，動力系統(tǒng)， 航拍等不同模塊構(gòu)成， 根據(jù)不同等級產(chǎn)品的需求，會采用到不同CPU內(nèi)核。例如小四軸的飛行主控， 因功能單純， 體積小， 必須同時整合遙控接收， 飛行控制及動力驅(qū)動功能;中高階多軸飛行器則采用內(nèi)建 DSP 及浮點運算單元的， 負責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動無刷電機的電調(diào)(ESC)板則采用MINI5($1.0889)系列設(shè)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(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。由于對于飛行控制方面主要都是浮點運算，簡單的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，更加簡單的8位單片機也可以做到。

高通和英特爾推的飛控主芯片

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無人機是基于高通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。這款無人機采用了“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，能主動避免障礙物。英特爾的無人機是與一家德國工業(yè)無人機廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)置了高達6個英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(Atom)處理器的PCI- express定制卡，來處理距離遠近與傳感器的實時信息，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人機，一是看好無人機的市場，二是美國即將推出相關(guān)法規(guī)，對無人機的飛行將有嚴格的管控。

此外，活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進入到無人機領(lǐng)域。XMOS公司市場營銷和業(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/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個之間的、頻率高達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時I/O性能，同時伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實時操作系統(tǒng)(RTOS)開銷。xCORE微控制器的硬件實時性能使得我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時在系統(tǒng)內(nèi)無抖動。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點，正是吸引諸如無人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實時性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。”

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

多軸無人機的MEMS傳感

某無人機方案商總經(jīng)理認為，目前業(yè)內(nèi)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產(chǎn)品如平板或手機上較常用的價格敏感型型號。在專業(yè)航拍以及專為航模發(fā)燒友開發(fā)的中高端無人機上，則會用到質(zhì)量更為價格更高的傳感器，以保障無人機更為穩(wěn)定、安全的飛行。這些 MEMS傳感器主要用來實現(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，是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，進而達到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)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(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)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(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。