【導讀】無人機在2015年已經迅速地成為現象級的熱門產品，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。這里多家公司專家給出了相關的看法，大家一起來了解無人機的硬件結構以及它今后的技術發(fā)展趨勢吧。
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年已經迅速地成為現象級的熱門產品，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。
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。主機的硬件結構如圖1。
圖1:四軸飛行器系統(tǒng)解析圖
標準的遙控器的結構圖如圖2。
圖2：遙控器系統(tǒng)解析圖
以上只是標準產品的解剖圖，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，基本上就可以實現飛行或懸停的功能。
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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/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等系列也已經廣泛應用于客戶的航拍產品當中。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由于內置TFT彩屏驅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), 航拍等不同模塊構成, 根據不同等級產品的需求, 從8051, Cortex-M0, Cortex-M4到ARM9的不同CPU內核, 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建 DSP 及浮點運算單元的Cortex-M4 M451系列, 負責飛行主控功能，驅動無刷電機的電調(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內核32位MCU都可以很好的滿足。有的傳感器MEMS芯片中已經集成了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。
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，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也表示已經進入到無人機領域。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內部通信。
Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。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實現非常精確的控制算法，同時在系統(tǒng)內無抖動。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鍵之處。”
意法半導體也透露，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構，集高性能、實時功能、數字信號處理、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)，用來驅動無人機的旋翼。而馬達驅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)電子有限公司總經理陳一民認為，目前業(yè)內的玩具級飛行器，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)微機電產品市場和應用經理趙延輝介紹，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角速度變化，但實際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來說，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)。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會造成輸入轉速超過陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應實時的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會產生震蕩輸出，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的陀螺儀在設計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產生非常大錯誤輸出，甚至是產生震蕩輸出。
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“對于飛行器來說，最重要的一點就是安全，無論它的硬件設計還是軟件設計，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶體驗。ADI的MEMS傳感器設計理念恰好跟此想吻合，我們的MEMS傳感器首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性，而后才是追求極致的指標。根據客戶實測反饋，在飛行器誤操作，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會受任何影響，而其它某些陀螺儀會出現非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到沖擊后，也不會產生任何可靠性問題，而其它某些加速度計則會以很大概率出現完全沒有輸出的現象。這些用戶實測出來的差異，都是得益于ADI MEMS傳感器在設計時對各種極端情況的充分考慮。”趙延輝說。
“未來飛行器上的MEMS產品也會向集成化方向發(fā)展，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產品，甚至是SOC，把處理器也集成進去，直接提供角度輸出供后端處理器調用。由于飛行器的應用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產品在這一領域的發(fā)展方向。當然可靠性依然是最重要的指標。”他認為。
陳一民認為，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，以滿足將來相關法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內置了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的遙控技術，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)即時傳輸到地面，其用途更加廣泛。合泰半導體產品技術開發(fā)處/馬達產品技術部專案處長潘健章認為，四軸航拍飛行器已經從少數的用途(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)測農業(yè)莊稼生長與病蟲害情況、精準噴灑農藥、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。
目前博通公司的Wi-Fi和藍牙組合芯片已廣泛應用于無人機上，在控制信號傳輸和視頻傳輸上均有涉獵。應用于無人機上的WLAN芯片主要特性為同時維護視頻信道和控制信道的可靠性和穩(wěn)定性。這些芯片擁有先進的接收架構、高接收靈敏度，以及各種先進的信道管理能力，其中就包括針對高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術。“博通的WICED 開發(fā)套件支持Linux，Android和基于RTOS設計的操作系統(tǒng)，”博通公司無線連接組合事業(yè)部產品營銷高級總監(jiān)Brian Bedrosia說。
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導者。他們可以無線傳輸1080P高清視頻，這是其它眾多國內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)轉碼成720P，再轉成數字信號傳輸到遙控器顯示屏上，技術上也較復雜，并且畫面會有馬賽克、停頓或卡死。畫面質量也不夠好，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的芯片，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的矛盾。在ADI公司的軟件定義無線電(SDR)技術問世之前，RF工程師可以通過分立器件去實現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品上。
ADI半導體高級客戶應用經理章新明介紹，公司的AD9561/64系列集成式RF收發(fā)器已經被大量應用到無人機。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器，可以實現 70MHz至6.0GHz可調頻率范圍，200kHz至56HHz的通道帶，可輕松實現無人機的較遠距離的高清無線圖傳。”章新明說，“同時它還可以傳輸指令，無人機的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC。”
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品等。這些方面的技術挑戰(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”，技術人員也不能斷定事故真正的原因。
無人機制造廠偉力玩具的技術總監(jiān)翟占超他本人也是一位多年的航模發(fā)燒友，他認為“炸機”的原因算歸納起來有兩種：一種原因是生產與安裝過程中不夠好，出現機械方面的問題；另一種是信號與軟件算法的問題。
翟占超表示要徹底解決這個無人機飛行器的墜機很難。現在裝配的問題比較容易發(fā)現和避免的，比如調速器行程不一致，連線不夠牢靠，機身震動，結構裝配不到位等，這些問題在飛機動作量大時很容易導致失控。最嚴重的是飛控自身存在的不穩(wěn)定很可怕，不定時的會出現運算錯誤，比如由于環(huán)境原因造成的磁場錯亂、GPS信號弱、遙控器失控以及電池突然沒電等。他認為，現在的飛控上需要考慮到以上這些情況下的安全處理。
