以無人機的內(nèi)部構(gòu)造詳談多軸飛行器硬件技術(shù)

　　在今年CES上無人機成為了展會最大的熱點之一，大疆（DJI）、Parrot、3D RoboTIcs、AirDog等知名無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，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。為此，本刊特別采訪了多家公司，來了解無人機的硬件結(jié)構(gòu)以及它今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。（注：本篇文章中的無人機，也特指多軸飛行器（Drone）。與固定翼無人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機的硬件結(jié)構(gòu)如下圖。

　　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)燒友和航拍用戶們的無人機系統(tǒng)，還會要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)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。

　　意法半導體高級市場工程師任遠介紹，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，意法半導體的STM32F051以及STM32F301系列因其高集成度，小封裝以及超值的性價比被業(yè)界廣泛采用。在飛機姿態(tài)控制方面，根據(jù)外部傳感器的不同，意法半導體可以提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列對應客戶的需求。云臺控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經(jīng)廣泛應用于客戶的航拍產(chǎn)品當中。另外，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應用于傳統(tǒng)的不帶顯示的類型之外，STM32F429由于內(nèi)置TFT彩屏驅(qū)動也正在逐漸用在帶彩屏顯示的遙控器當中。

　　新唐的MCU負責人表示： 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， 從8051， Cortex-M0， Cortex-M4到ARM9的不同CPU內(nèi)核， 新唐科技已有多款 MCU 被應用在多軸飛行器：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， 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， 負責飛行主控功能，驅(qū)動無刷電機的電調(diào)（ESC）板則采用MINI5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(nèi)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(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。

　　今年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。

　　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，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、高實時性應用用戶的關(guān)鍵之處。”

　　意法半導體也透露，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構(gòu)，集高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、高集成度，為有高精度控制的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency（動態(tài)效率）微控制器系列在動態(tài)功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設計更加完美。

　　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，但筆者也有看到一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

　　無人機方案商深圳富微科創(chuàng)電子有限公司總經(jīng)理陳一民認為，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。

　　ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應用經(jīng)理趙延輝介紹，ADI的工業(yè)級陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工業(yè)級加速度計ADXL203、 ADXL278等被廣泛用于專業(yè)級的航拍設備上。而商業(yè)級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也一直被廣泛應用于一體機及各種飛行器中。

　　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)。至于用MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通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，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，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，通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要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的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。

　　隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來開發(fā)出可自動避撞的無人機，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設置接近機場或航空限制的敏感地點，不讓飛機起飛。

　　作為娛樂級的無人機，可能只需要用到傳輸?shù)倪b控技術(shù)，2.4GHz或5.8GHz的無線遙控都可以滿足。雖然433MHz頻段穿透性強，通訊距離遠，可以最遠傳輸達2公里，但由于其抗干擾能力弱，遙控無人機或飛行器上都不太采用。2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片有很多家芯片廠商都可以提供，一直以來都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多。

　　多軸無人機由于可以非常穩(wěn)定的飛行，在裝戴云臺和相機后，可以在高空中拍攝視頻，并通過無線通信（5.8G、WIFI或LTE）即時傳輸?shù)降孛?，其用途更加廣泛。合泰半導體產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章認為，四軸航拍飛行器已經(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、災情監(jiān)視、監(jiān)測農(nóng)業(yè)莊稼生長與病蟲害情況、精準噴灑農(nóng)藥、邊疆巡航、城市反恐等），開始走向大眾消費者（航拍），成為一款智能硬件商品。

　　在無人機的視頻傳輸方面，深圳大疆DJI無人機早就是航拍無人機市場的領(lǐng)導者。他們可以無線傳輸1080P高清視頻，這是其它眾多國內(nèi)娛樂無人機廠商目前沒有解決的問題。一般的做法是在云臺搭載相機，高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時看到拍攝畫面，所以還不能滿足航拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠距離能達600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清（1080P或4K）轉(zhuǎn)碼成720P，再轉(zhuǎn)成數(shù)字信號傳輸?shù)竭b控器顯示屏上，技術(shù)上也較復雜，并且畫面會有馬賽克、停頓或卡死。畫面質(zhì)量也不夠好，用到專業(yè)航拍還有距離，適合普通愛好者娛樂。

　　目前專業(yè)WiFi芯片廠商還沒有開發(fā)出這種遠距離無線高清視頻傳輸?shù)男酒?，包括博通與高通都沒有。但是無人機市場如此火熱，無線芯片廠商已經(jīng)在著手計劃推出專用芯片。“未來我們將會看到能同時與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組，”博通公司 Brian Bedrosian表示。

　　在專用芯片推出之前，一種采用軟件定義無線電的方法解決了無線遠距離和高帶寬傳輸?shù)拿?。在ADI公司的軟件定義無線電（SDR）技術(shù)問世之前，RF工程師可以通過分立器件去實現(xiàn)遠距離高帶寬的無線傳輸，但是方案既復雜成本也很高，開發(fā)時間太長，不太適合用于消費類的產(chǎn)品上。

　　雖然無人機前景被一致看好，但事實上無人機仍然還面臨很多技術(shù)上的難題，包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼的設計、更遠程的控制與通信、以及在軟件上如何更方便的操控來普及產(chǎn)品等。這些方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，隨著眾多公司在無人機上的研發(fā)不斷投入都有可能解決，但還有一個現(xiàn)實的問題，困擾著無人機，尤其是專業(yè)航拍級的無人機廠商。

　　專業(yè)航拍無人機定價動輒高達上萬塊RMB，同時還搭載高端的相機或攝像機。在使用過程中，哪怕是出現(xiàn)一次故障，造成無人機墜機，都會給消費者帶來重大的損失，甚至是地面人員的人身安全。在專業(yè)論壇中被發(fā)燒友們稱為“炸機”的無人機墜機事件不斷發(fā)生，專業(yè)航拍廠家為此最為頭痛，主要原因是基本上即使是有事故視頻，甚至是飛機“殘骸”，技術(shù)人員也不能斷定事故真正的原因。