多軸飛行器無人機硬體技術(shù)揭密

　　在今年CES上無人機成為展會最大的熱點之一，包括大疆(DJI)、Parrot、3D Robotics、AirDog等知名無人機公司都展示最新產(chǎn)品。甚至是英特爾、高通都展出了通訊功能強大、能夠自動避開障礙物的飛行器。無人機在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級的熱門產(chǎn)品。為此，中國版《電子工程專輯》特別采訪業(yè)界多家公司，期望瞭解無人機的硬體結(jié)構(gòu)以及它今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　相較于固定翼無人機，多軸飛行器/無人機(Drones)的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機的硬體結(jié)構(gòu)以及遙控器系統(tǒng)主要如圖所示：

　　圖1：四軸飛行器系統(tǒng)解析圖

　　(來源：Holtek)

　　圖2：標(biāo)準(zhǔn)的遙控器系統(tǒng)解析圖

　　(來源：Holtek)

　　此外，有些更加先進(jìn)的無人機系統(tǒng)，如針對模型飛機玩家和空拍攝影家打造的裝置還會要求有云臺、攝影機、視訊傳輸系統(tǒng)以及視訊接收等更多模組。

　　無人機的大腦：MCU

　　在四軸飛行器的飛控主機板上，需要用到的晶片并不多。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(dá)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(ST)資深行銷工程師任遠(yuǎn)介紹，無人機/多軸飛行器主要元件包括飛行控制以及遙控器兩部份。其中飛行控制包括電子變速器(ESC)/馬達(dá)控制、飛機姿勢控制以及云臺控制等。目前主流的ESC控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制，ST的STM32F051以及STM32F301系列因其高整合度、小封裝以及超值的性價比被廣泛采用。在飛機姿態(tài)控制方面，根據(jù)外部感測器的不同，可提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列因應(yīng)客戶的需求。云臺控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空拍產(chǎn)品中。此外，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應(yīng)用于傳統(tǒng)的無顯示器產(chǎn)品類型之外，STM32F429由于內(nèi)建TFT彩色驅(qū)動器正逐漸用于帶彩色顯示的遙控器當(dāng)中。

　　新唐的MCU負(fù)責(zé)人表示：多軸飛行器由遙控、飛行控制、動力系統(tǒng)、空拍等不同模組構(gòu)成，根據(jù)不同等級產(chǎn)品的需求采用從8051、Cortex-M0、Cortex-M4到ARM9等不同CPU核心，新唐科技已有多款MCU被應(yīng)用在多軸飛行器中。例如小四軸的飛行主控制器由于功能單純、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，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及浮點運算單元的Cortex-M4 M451系列，負(fù)責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動無刷馬達(dá)的ESC板則采用MINI5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 視訊編解碼器的N329系列SoC則應(yīng)用于2.4G及5.8G的空拍系統(tǒng)。

　　在飛控主機板上，目前控制和處理用的最多的還是MCU。由于對于飛行控制方面主要都是浮點運算，簡單的ARM Cortex-M4核心32位元MCU就能滿足需求。有的感測器MEMS晶片中已經(jīng)整合了DSP，更加簡單的8位元MCU即可實現(xiàn)設(shè)計。

　　高通和英特爾在今年的CES上展示了功能更為豐富的多軸飛行器，采用了比MCU更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主晶片。

　　例如，高通展示的Snapdragon Cargo無人機基于高通Snapdragon晶片開發(fā)的飛行控制器，具有無線通訊、感測器整合和空間定位等功能。英特爾執(zhí)行長Brian Krzanich親自在CES上展示采用其RealSense技術(shù)的無人機，能夠建立3D地圖和感知周圍環(huán)境，并且可以像蝙蝠一樣飛行，能自動避免障礙物。英特爾的無人機與德國工業(yè)無人機廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)建高達(dá)6個英特爾的RealSense 3D攝影機，以及采用基于四核心英特爾Atom處理器的PCI Express客制卡，用于處理距離遠(yuǎn)近與感測器的即時資訊，以及避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示強大功能的無人機，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(yán)格的管控。

　　此外，活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也開始進(jìn)入無人機領(lǐng)域。XMOS市場行銷和業(yè)務(wù)拓展副總裁Paul Neil表示，XMOS的xCORE多核心MCU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多核心MCU既可用于飛行控制也用于MCU內(nèi)部通訊。

　　Paul Neil表示，“xCORE多核心MCU擁有數(shù)量在8到32個之間、頻率高達(dá)500 MHz的32位元RISC核心。xCOR元件也具有Hardware Response I/O介面，可提供卓越的硬體即時I/O性能，同時伴隨很低的延遲。”這種多核心解決方案支援完全獨立的執(zhí)行系統(tǒng)控制與通訊任務(wù)，不產(chǎn)生任何即時作業(yè)系統(tǒng)(RTOS)開銷。xCOREMCU的硬體即時性能可協(xié)助客戶實現(xiàn)非常精確的控制演算法，同時在系統(tǒng)內(nèi)無抖動。

　　ST則表示，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構(gòu)，集高性能、即時功能、數(shù)位訊號處理、高整合度于一，為有高精密度控制需求的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency MCU系列在動態(tài)功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設(shè)計更完美。

　　多軸飛行器需要用到四至六顆無刷馬達(dá)，用來驅(qū)動無人機的旋翼。而馬達(dá)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(dá)需要配置一顆8位元MCU控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達(dá)的方案。

　　多軸無人機的MEMS/感測器

　　無人機方案商深圳富微科創(chuàng)電子公司總經(jīng)理陳一民認(rèn)為，目前業(yè)界的玩具級飛行器，雖然大部份從三軸升級到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費性產(chǎn)品如平板或手機上較常用的價格敏感型型號。針對專業(yè)空拍以及專為模型飛機玩家開發(fā)的中高階無人機，則會用到品質(zhì)更好、價格更高的感測器，以保障無人機更為穩(wěn)定、安全的飛行。

　　ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝介紹，ADI的工業(yè)級陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642和工業(yè)級加速度計ADXL203、 ADXL278已廣泛用于專業(yè)級的空拍設(shè)備上。而商業(yè)級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也持續(xù)被廣泛應(yīng)用于各種飛行器中。

　　這些MEMS感測器主要用來實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定控制和輔助導(dǎo)航。飛行器之所以能懸停，可以做空拍，是因為MEMS感測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，就可以控制馬達(dá)向相反的方向轉(zhuǎn)動，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS感測器測量角度變化，一般要選擇組合感測器，既不能單純依賴加速度計，也不能只使用陀螺儀，這是因為每種感測器都有一定的局限性。

　　例如陀螺儀輸出的是角速度，要透過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白色雜訊和慢變隨機函數(shù)的疊加，因此，在積分的過程中，必然會引進(jìn)累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。

　　這就需要加速度計來校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，透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，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就會下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的演算法就是利用互補濾波，結(jié)合加速度計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)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精密度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只回應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和制程的限制，陀螺儀對于加速度也很敏感，即我們在陀螺儀資料手冊上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標(biāo)尤為重要，因為飛行器中的馬達(dá)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(jìn)而引起角度變化，導(dǎo)致馬達(dá)錯誤動作，最后為終端使用者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，可能會造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測試量程，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)到陀螺儀限制范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)即時的角速度變化，但有些陀螺儀卻不是這樣，一旦輸入超過限制范圍，陀螺便會產(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)計時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核心和四核心的機械結(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來抑制這種‘共模’的沖擊，準(zhǔn)確測量‘差模’的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。