盤點(diǎn)無(wú)人機(jī)飛控大腦與MEMS傳感器

制造一個(gè)大腦并不容易。大黃蜂的大腦中有100多萬(wàn)個(gè)相互聯(lián)系的神經(jīng)元細(xì)胞，幫助它完成各種意識(shí)活動(dòng)。2014年年末，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾給一個(gè)有輪子的樂高機(jī)器人安裝過(guò)一個(gè)數(shù)字蠕蟲大腦，但是這樣的大腦只有302個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞。到目前為止，“綠色大腦計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)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(wú)人機(jī)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(guò)訓(xùn)練完成同樣任務(wù)的大黃蜂一模一樣?，F(xiàn)在，這個(gè)虛擬大腦還只能追蹤位置的移動(dòng)，而無(wú)法識(shí)別顏色或形狀。“綠色大腦計(jì)劃”的科學(xué)家希望，過(guò)一段時(shí)間能夠用數(shù)字重建完整的大黃蜂大腦，并制造出第一臺(tái)像大黃蜂一樣自動(dòng)行動(dòng)的機(jī)器人。但是現(xiàn)在，他們的重點(diǎn)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(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(guò)來(lái)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。意法半導(dǎo)體高級(jí)市場(chǎng)工程師介紹，無(wú)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。

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，會(huì)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(shí)整合遙控接收， 飛行控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)功能;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， 負(fù)責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的電調(diào)(ESC)板則采用MINI5($1.0889)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。

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(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(wú)人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來(lái)的飛行控制器，它有無(wú)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(wú)人機(jī)。這款無(wú)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(wú)人機(jī)是與一家德國(guó)工業(yè)無(wú)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(lái)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(wú)人機(jī)，一是看好無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)，二是美國(guó)即將推出相關(guān)法規(guī)，對(duì)無(wú)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(wú)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(wú)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(shuō)：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(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(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。”

多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷電機(jī)(馬達(dá))，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)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(lái)做控制，但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達(dá)的方案。

多軸無(wú)人機(jī)的MEMS傳感

某無(wú)人機(jī)方案商總經(jīng)理認(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(wú)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(wú)人機(jī)更為穩(wěn)定、安全的飛行。這些 MEMS傳感器主要用來(lái)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(guò)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)。

ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理表示，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(lái)說(shuō)，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(lái)較強(qiáng)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(shì)必會(huì)帶來(lái)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)。