多軸飛行器無(wú)人機(jī)硬體技術(shù)揭密

　　趙延輝說(shuō)：“對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是安全，無(wú)論是硬體設(shè)計(jì)還是軟體設(shè)計(jì)，都要先確保安全，而后才是極致的用戶體驗(yàn)。ADI的MEMS感測(cè)器設(shè)計(jì)首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性，然后再追求極致的指標(biāo)。根據(jù)客戶實(shí)測(cè)回饋，在飛行器錯(cuò)誤作業(yè)，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(wèn)題，而其它某些加速度計(jì)則會(huì)以很大機(jī)率出現(xiàn)完全無(wú)輸出的現(xiàn)象。這些用戶實(shí)測(cè)出來(lái)的差異，都得益于ADI MEMS感測(cè)器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種極端情況的充分考慮。”

　　“未來(lái)飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì)朝整合化方向發(fā)展，如3軸加速度加上3軸陀螺儀的整合式產(chǎn)品，甚至是SoC，把處理器也整合進(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)低溫漂的感測(cè)器，都會(huì)是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。”

　　陳一民認(rèn)為，隨著無(wú)人機(jī)的功能不斷增加，越來(lái)越多的GPS感測(cè)器、紅外線感測(cè)器、氣壓感測(cè)器、超音波感測(cè)器被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)。方案供應(yīng)商已經(jīng)在利用紅外線和超音波感測(cè)器來(lái)開(kāi)發(fā)可自動(dòng)避撞的無(wú)人機(jī)，以滿足將來(lái)相關(guān)法規(guī)的要求。整合GPS感測(cè)器的無(wú)人機(jī)則可實(shí)現(xiàn)一鍵返航功能，防止無(wú)人機(jī)飛行丟失。而內(nèi)建GPS功能的無(wú)人機(jī)可以在軟體中設(shè)置接近機(jī)場(chǎng)或航空限制的警示，避免誤入管制區(qū)域。

　　無(wú)線控制與視訊傳輸

　　作為娛樂(lè)級(jí)的無(wú)人機(jī)，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等無(wú)線遙控技術(shù)即可滿足傳輸需求。雖然433MHz頻段穿透性強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可傳輸達(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。很多家晶片廠商均可提供2.4GHz或5.8GHz的無(wú)線射頻晶片，一直以來(lái)多半都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的晶片較多。

　　多軸無(wú)人機(jī)由于可以非常穩(wěn)定的飛行，在裝載云臺(tái)和相機(jī)后，可以在高空中拍攝視訊，并透過(guò)無(wú)線通訊(5.8G、WI-FI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(kāi)發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專(zhuān)案處長(zhǎng)潘健章認(rèn)為，四軸空拍飛行器已經(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(chóng)害情況、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、邊疆巡航、城市反恐等)，開(kāi)始走向大眾消費(fèi)者(空拍)，成為一款智慧硬體商品。

　　目前博通公司(Broadcom)的Wi-Fi和藍(lán)牙組合晶片已廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)上，在控制訊號(hào)傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應(yīng)用于無(wú)人機(jī)上的WLAN晶片主要特性為同時(shí)維護(hù)視訊通道和控制通道的可靠性和穩(wěn)定性。這些晶片擁有先進(jìn)的接收架構(gòu)、高接收靈敏度，以及各種先進(jìn)的通道管理能力，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(kāi)發(fā)套件支援Linux、Android和基于RTOS的作業(yè)系統(tǒng)，”博通公司無(wú)線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品資深行銷(xiāo)總監(jiān)Brian Bedrosia說(shuō)。

　　在無(wú)人機(jī)的視訊傳輸方面，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(huà)面，所以還不能滿足空拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸類(lèi)比視訊到地面，最遠(yuǎn)距離能達(dá)600多公尺。但這種方式需要在飛行器上將高解析(1,080P或4K)轉(zhuǎn)碼成720P，再轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)傳輸?shù)竭b控器顯示幕上，技術(shù)上較復(fù)雜，畫(huà)面品質(zhì)不夠好，而且會(huì)有馬賽克、停頓或卡死的情形。

　　目前包括博通與高通等專(zhuān)業(yè)Wi-Fi晶片商都尚未開(kāi)發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸高解析視訊的晶片。但隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)持續(xù)延燒，無(wú)線晶片廠商已在著手計(jì)劃推出專(zhuān)用晶片了。“未來(lái)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晶片組，”博通的Brian Bedrosian表示。

　　在專(zhuān)用晶片推出之前，一種采用軟體定義無(wú)線電(SDR)的方法解決了無(wú)線遠(yuǎn)距離和高頻寬傳輸?shù)拿堋Ｔ贏DI公司的軟體定義無(wú)線電技術(shù)問(wèn)世之前，RF工程師可以透過(guò)分離元件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高頻寬的無(wú)線傳輸，但是方案既復(fù)雜成本也很高，開(kāi)發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，不太適合用于消費(fèi)性產(chǎn)品上。

　　ADI半導(dǎo)體資深客戶應(yīng)用經(jīng)理章新明介紹，AD9561/64系列整合式RF收發(fā)器已經(jīng)被大量應(yīng)用到無(wú)人機(jī)了。“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頻段，可為無(wú)人機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的高解析無(wú)線傳輸。”章新明說(shuō)，“它同時(shí)還可以傳輸指令，無(wú)人機(jī)的無(wú)線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC。”

　　無(wú)人機(jī)仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

　　雖然無(wú)人機(jī)前景被一致看好，但事實(shí)上無(wú)人機(jī)仍然面臨很多技術(shù)上的難題，包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)端的控制與通訊，以及在軟體上如何更方便地操控與普及產(chǎn)品等。這些方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，隨著眾多公司在無(wú)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(wèn)題困擾著無(wú)人機(jī)，尤其是專(zhuān)業(yè)空拍級(jí)的無(wú)人機(jī)廠商。

　　專(zhuān)業(yè)空拍無(wú)人機(jī)定價(jià)高，而且還搭載著高階的攝影機(jī)或相機(jī)。在使用過(guò)程中，哪怕是出現(xiàn)一次故障，造成無(wú)人機(jī)墜機(jī)，都會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)重大損失，甚至是地面人員的人身安全。無(wú)人機(jī)制造廠偉力玩具技術(shù)總監(jiān)翟占超本人也是一位多年的模型飛機(jī)玩家，他認(rèn)為造成無(wú)人機(jī)墜機(jī)的原因可歸納為兩種：一是生產(chǎn)與安裝過(guò)程中品管不足，出現(xiàn)機(jī)械方面的問(wèn)題;另一種是訊號(hào)與軟體演算法的問(wèn)題。

　　翟占超表示，目前仍難以徹底解決無(wú)人機(jī)飛行器的‘墜機(jī)’問(wèn)題?，F(xiàn)在裝配的問(wèn)題比較容易發(fā)現(xiàn)并且避免，如調(diào)速器行程不一致、連線不夠穩(wěn)定、機(jī)身震動(dòng)、結(jié)構(gòu)裝配不完整等，這些問(wèn)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，將會(huì)不定時(shí)的出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤，例如由于環(huán)境原因造成的磁場(chǎng)錯(cuò)亂、GPS訊號(hào)弱、遙控器失控以及電池突然沒(méi)電等。因此，在飛行控制時(shí)必須考慮到發(fā)生這些情況時(shí)的安全處理。