你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

專家坐鎮(zhèn)詳談:多軸飛行器無人機硬件技術(shù)細節(jié)

發(fā)布時間:2015-03-09 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】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。這里多家公司專家給出了相關(guān)的看法,大家一起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(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。
 
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)如圖1。
四軸飛行器系統(tǒng)解析圖
圖1:四軸飛行器系統(tǒng)解析圖
 
標(biāo)準(zhǔn)的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如圖2。
遙控器系統(tǒng)解析圖
圖2:遙控器系統(tǒng)解析圖
 
以上只是標(biāo)準(zhǔn)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。
[page]
意法半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體可以提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列對應(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)用于客戶的航拍產(chǎn)品當(dāng)中。另外,在遙控器方面,除了STM32F0/STM32F1系列應(yīng)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(dāng)中。
 
新唐的MCU負責(zé)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(yīng)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(zé)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(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。
 
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(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(nèi)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(guān)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(jīng)進入到無人機領(lǐng)域。XMOS公司市場營銷和業(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(wù),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(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。”
 
意法半導(dǎo)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(shè)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(yīng)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(shè)備上。而商業(yè)級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等,也一直被廣泛應(yīng)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(dǎo)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。
 
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,但實際上受設(shè)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(shù)據(jù)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(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)到陀螺儀量程范圍后,陀螺儀再正確反應(yīng)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(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)計的時候,也充分考慮到這種情況,利用雙核和四核的機械結(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。
[page]
“對于飛行器來說,最重要的一點就是安全,無論它的硬件設(shè)計還是軟件設(shè)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(shè)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(biāo)。根據(jù)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(xiàn)非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后,也不會產(chǎn)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(xiàn)完全沒有輸出的現(xiàn)象。這些用戶實測出來的差異,都是得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)用。由于飛行器的應(yīng)用場景一般都是戶外,客戶勢必會做全溫范圍內(nèi)的溫度補償,而在出廠前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補,或者是設(shè)計超級低溫漂的傳感器,都會是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)然可靠性依然是最重要的指標(biāo)。”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(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(shè)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?zé)o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)降孛妫溆猛靖訌V泛。合泰半導(dǎo)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(zāi)情監(jiān)視、監(jiān)測農(nóng)業(yè)莊稼生長與病蟲害情況、精準(zhǔn)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。
 
目前博通公司的Wi-Fi和藍牙組合芯片已廣泛應(yīng)用于無人機上,在控制信號傳輸和視頻傳輸上均有涉獵。應(yīng)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(gòu)、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(shù)。“博通的WICED 開發(fā)套件支持Linux,Android和基于RTOS設(shè)計的操作系統(tǒng),”博通公司無線連接組合事業(yè)部產(chǎn)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(lǐng)導(dǎo)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(fù)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堋T贏DI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(fù)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。
 
ADI半導(dǎo)體高級客戶應(yīng)用經(jīng)理章新明介紹,公司的AD9561/64系列集成式RF收發(fā)器已經(jīng)被大量應(yīng)用到無人機。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器,可以實現(xiàn) 70MHz至6.0GHz可調(diào)頻率范圍,200kHz至56HHz的通道帶,可輕松實現(xiàn)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(shù)上的難題,包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼的設(shè)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。
 
無人機制造廠偉力玩具的技術(shù)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(chǎn)與安裝過程中不夠好,出現(xiàn)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?,F(xiàn)在裝配的問題比較容易發(fā)現(xiàn)和避免的,比如調(diào)速器行程不一致,連線不夠牢靠,機身震動,結(jié)構(gòu)裝配不到位等,這些問題在飛機動作量大時很容易導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)在的飛控上需要考慮到以上這些情況下的安全處理。
 
要采購傳感器么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉