無人機(jī)各模塊詳細(xì)講解和技術(shù)分析

./無人機(jī)各模塊詳解與技術(shù)分析如今無人機(jī)成為了展會(huì)最大的熱點(diǎn)之一,大疆〔DJI、Parrot、3DRobotics、AirDog等知名無人機(jī)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(qiáng)大、能夠自動(dòng)避開障礙物的飛行器。無人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級(jí)的熱門產(chǎn)品,甚至我們之前都沒有來得及細(xì)細(xì)研究它。與固定翼無人機(jī)相比,多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定,能在空中懸停。主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如下圖。四軸飛行器系統(tǒng)解析圖遙控器系統(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(jí)的如針對(duì)航模發(fā)燒友和航拍用戶們的無人機(jī)系統(tǒng),還會(huì)要求有云臺(tái)、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收等更多模塊。飛控的大腦：微控制器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(jí)飛行器還只是簡(jiǎn)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(gè)馬達(dá)帶動(dòng)槳翼,基本上就可以實(shí)現(xiàn)飛行或懸停的功能。意法半導(dǎo)體高級(jí)市場(chǎng)工程師介紹,無人機(jī)/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(dá)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制以及云臺(tái)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。新唐的MCU負(fù)責(zé)人表示：多軸飛行器由遙控,飛控,動(dòng)力系統(tǒng),航拍等不同模塊構(gòu)成,根據(jù)不同等級(jí)產(chǎn)品的需求,會(huì)采用到不同CPU內(nèi)核。例如小四軸的飛行主控,因功能單純,體積小,必須同時(shí)整合遙控接收,飛行控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)功能；中高階多軸飛行器則采用內(nèi)建DSP及浮點(diǎn)運(yùn)算單元的,負(fù)責(zé)飛行主控功能,驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的電調(diào)〔ESC板則采用MINI5<＄1.0889>系列設(shè)計(jì)。低階遙控器使用SOP20封裝的4T8051N79E814；中高階遙控器則采用Cortex-M0M051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(duì)于飛行控制方面主要都是浮點(diǎn)運(yùn)算,簡(jiǎn)單的ARMCortex-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(jiǎn)單的8位單片機(jī)也可以做到。高通和英特爾推的飛控主芯片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(qiáng)大的CPU或是ARMCortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如,高通CES上展示的SnapdragonCargo無人機(jī)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。IntelCEOBrianKrzanich也親自在CES上演示了他們的無人機(jī)。這款無人機(jī)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(dòng)避免障礙物。英特爾的無人機(jī)是與一家德國(guó)工業(yè)無人機(jī)廠商AscendingTechnologies合作開發(fā),內(nèi)置了高達(dá)6個(gè)英特爾的"RealSense"3D攝像頭,以及采用了四核的英特爾凌動(dòng)〔Atom處理器的PCI-express定制卡,來處理距離遠(yuǎn)近與傳感器的實(shí)時(shí)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(qiáng)大功能的無人機(jī),一是看好無人機(jī)的市場(chǎng),二是美國(guó)即將推出相關(guān)法規(guī),對(duì)無人機(jī)的飛行將有嚴(yán)格的管控。此外,活躍在在機(jī)器人市場(chǎng)的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無人機(jī)領(lǐng)域。XMOS公司市場(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)拓展副總裁PaulNeil博士表示,XMOS的xCORE多核微控制器系列已被一些無人機(jī)/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。PaulNeil說：xCORE多核微控制器擁有數(shù)量在8到32個(gè)之間的、頻率高達(dá)500MHz的32位RISC內(nèi)核。xCORE器件也帶有HardwareResponseI/O接口,它們可提供卓越的硬件實(shí)時(shí)I/O性能,同時(shí)伴隨很低的延遲。"這種多核解決方案支持完全獨(dú)立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù),不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)〔RTOS開銷。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)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(shí)在系統(tǒng)內(nèi)無抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn),正是吸引諸如無人機(jī)/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。"多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(jī)〔馬達(dá),用來驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器就是用來控制無人機(jī)的速度與方向。原則上一顆馬達(dá)需要配置一顆8位MCU來做控制,但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達(dá)的方案。多軸無人機(jī)的EMS/傳感器某無人機(jī)方案商總經(jīng)理認(rèn)為,目前業(yè)內(nèi)的玩具級(jí)飛行器,雖然大部分從三軸升級(jí)到了六軸MEMS,但通常采用的都是消費(fèi)類產(chǎn)品如平板或手機(jī)上較常用的價(jià)格敏感型型號(hào)。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(jī)上,則會(huì)用到質(zhì)量更為價(jià)格更高的傳感器,以保障無人機(jī)更為穩(wěn)定、安全的飛行。這些MEMS傳感器主要用來實(shí)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?yàn)镸EMS傳感器可以檢測(cè)飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化,在檢測(cè)到角度變化后,就可以控制電機(jī)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS傳感器測(cè)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(jì),也不能單純依賴陀螺儀,這是因?yàn)槊糠N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(shí),陀螺依然是有輸出的,它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加,受此影響,在積分的過程中,必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差,積分時(shí)間越長(zhǎng),誤差就越大。這就需要加速度計(jì)來校正陀螺儀,因?yàn)榧铀俣扔?jì)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(jì)在相對(duì)靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,加速度計(jì)輸出的可信度就要下降,因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補(bǔ)濾波,結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀的輸出來算出角度變化。ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理表示,ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢(shì)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(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制,陀螺對(duì)加速度也是敏感的,就是我們?cè)谕勇輧x數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來說,這個(gè)指標(biāo)尤為重要,因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來較強(qiáng)烈的振動(dòng),一旦減震控制不好,就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度,那勢(shì)必會(huì)帶來陀螺輸出的變化,進(jìn)而引起角度變化,馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)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(huì)造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測(cè)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(shí)時(shí)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(huì)產(chǎn)生震蕩輸出,給出完全錯(cuò)誤的角速度。還有某些情況下,飛行器會(huì)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(jì)的時(shí)候,也充分考慮到這種情況,利用雙核和四核的機(jī)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(cè)量"差模"的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會(huì)產(chǎn)生非常大錯(cuò)誤輸出,甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。"對(duì)于飛行器來說,最重要的一點(diǎn)就是安全,無論它的硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì),都要首先保證安全,而后才是極致的用戶體驗(yàn)。""未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì)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(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)低溫漂的傳感器,都會(huì)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(rèn)為