多轴飞行器无人机硬体技术揭密

发布时间：2020-06-30 20:59:55 阅读：次来源：铝合金厂家

在今年CES上无人机成为展会最大的热点之一，包括大疆(DJI)、Parrot、3DRobotics、AirDog等知名无人机公司都展示最新产品。甚至是英特尔、高通都展出了通讯功能强大、能够自动避开障碍物的飞行器。无人机在2015年已经迅速地成为现象级的热门产品。为此，中国版《电子工程专辑》特别采访业界多家公司，期望瞭解无人机的硬体结构以及它今后的技术发展趋势。

本文引用地址：相较于固定翼无人机，多轴飞行器/无人机(Drones)的飞行更加稳定，能在空中悬停。主机的硬体结构以及遥控器系统主要如图所示：

图1：四轴飞行器系统解析图

(来源：Holtek)

图2：标准的遥控器系统解析图

(来源：Holtek)

此外，有些更加先进的无人机系统，如针对模型飞机玩家和空拍摄影家打造的装置还会要求有云台、摄影机、视讯传输系统以及视讯接收等更多模组。

无人机的大脑：MCU

在四轴飞行器的飞控主机板上，需要用到的晶片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留，只要能够接收到遥控器发送过来的指令，控制四个马达带动桨翼，基本上就可以实现飞行或悬停的功能。

意法半导体(ST)资深行销工程师任远介绍，无人机/多轴飞行器主要元件包括飞行控制以及遥控器两部份。其中飞行控制包括电子变速器(ESC)/马达控制、飞机姿势控制以及云台控制等。目前主流的ESC控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制，ST的STM32F051以及STM32F301系列因其高整合度、小封装以及超值的性价比被广泛采用。在飞机姿态控制方面，根据外部感测器的不同，可提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列因应客户的需求。云台控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已经广泛应用于空拍产品中。此外，在遥控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列应用于传统的无显示器产品类型之外，STM32F429由于内建TFT彩色驱动器正逐渐用于带彩色显示的遥控器当中。

新唐的MCU负责人表示：多轴飞行器由遥控、飞行控制、动力系统、空拍等不同模组构成，根据不同等级产品的需求采用从8051、Cortex-M0、Cortex-M4到ARM9等不同CPU核心，新唐科技已有多款MCU被应用在多轴飞行器中。例如小四轴的飞行主控制器由于功能单纯、体积小，必须同时整合遥控接收、飞行控制及动力驱动功能，采用QFN33或TSOP20封装的Cortex-M0MINI54系列;中高阶多轴飞行器则采用内建DSP及浮点运算单元的Cortex-M4M451系列，负责飞行主控功能，驱动无刷马达的ESC板则采用MINI5系列设计。低阶遥控器使用SOP20封装的4T8051N79E814;中高阶遥控器则采用Cortex-M0M051系列。另外内建ARM9及H.264视讯编解码器的N329系列SoC则应用于2.4G及5.8G的空拍系统。

在飞控主机板上，目前控制和处理用的最多的还是MCU。由于对于飞行控制方面主要都是浮点运算，简单的ARMCortex-M4核心32位元MCU就能满足需求。有的感测器MEMS晶片中已经整合了DSP，更加简单的8位元MCU即可实现设计。

高通和英特尔在今年的CES上展示了功能更为丰富的多轴飞行器，采用了比MCU更为强大的CPU或是ARMCortex-A系列处理器作为飞控主晶片。

例如，高通展示的SnapdragonCargo无人机基于高通Snapdragon晶片开发的飞行控制器，具有无线通讯、感测器整合和空间定位等功能。英特尔执行长BrianKrzanich亲自在CES上展示采用其RealSense技术的无人机，能够建立3D地图和感知周围环境，并且可以像蝙蝠一样飞行，能自动避免障碍物。英特尔的无人机与德国工业无人机厂商AscendingTechnologies合作开发，内建高达6个英特尔的RealSense3D摄影机，以及采用基于四核心英特尔Atom处理器的PCIExpress客制卡，用于处理距离远近与感测器的即时资讯，以及避免近距离的障碍物。这两家公司在CES展示强大功能的无人机，一是看好无人机的市场，二是美国即将推出相关法规，对无人机的飞行将有严格的管控。

此外，活跃在在机器人市场的欧洲处理器厂商XMOS也开始进入无人机领域。XMOS市场行销和业务拓展副总裁PaulNeil表示，XMOS的xCORE多核心MCU系列已被一些无人机/多轴飞行器的OEM客户采用。在这些系统中，XMOS多核心MCU既可用于飞行控制也用于MCU内部通讯。

PaulNeil表示，“xCORE多核心MCU拥有数量在8到32个之间、频率高达500MHz的32位元RISC核心。xCOR元件也具有HardwareResponseI/O介面，可提供卓越的硬体即时I/O性能，同时伴随很低的延迟。”这种多核心解决方案支援完全独立的执行系统控制与通讯任务，不产生任何即时作业系统(RTOS)开销。xCOREMCU的硬体即时性能可协助客户实现非常精确的控制演算法，同时在系统内无抖动。

ST则表示，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架构，集高性能、即时功能、数位讯号处理、高整合度于一，为有高精密度控制需求的飞行器客户提供解决方法。STM32DynamicEfficiencyMCU系列在动态功耗与处理性能之间取得完美平衡，使飞行器设计更完美。

多轴飞行器需要用到四至六颗无刷马达，用来驱动无人机的旋翼。而马达驱动控制器就是用来控制无人机的速度与方向。原则上一颗马达需要配置一颗8位元MCU控制，但也有一颗MCU控制多个BLDC马达的方案。

多轴无人机的MEMS/感测器

无人机方案商深圳富微科创电子公司总经理陈一民认为，目前业界的玩具级飞行器，虽然大部份从三轴升级到了六轴MEMS，但通常采用的都是消费性产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。针对专业空拍以及专为模型飞机玩家开发的中高阶无人机，则会用到品质更好、价格更高的感测器，以保障无人机更为稳定、安全的飞行。

ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉介绍，ADI的工业级陀螺仪ADXRS652、ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642和工业级加速度计ADXL203、ADXL278已广泛用于专业级的空拍设备上。而商业级的加速度计ADXL335、ADXL326、ADXL350、ADXL345等，也持续被广泛应用于各种飞行器中。

这些MEMS感测器主要用来实现飞行器的稳定控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停，可以做空拍，是因为MEMS感测器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化后，就可以控制马达向相反的方向转动，进而达到稳定的效果。这是一个典型的闭环控制系统。至于用MEMS感测器测量角度变化，一般要选择组合感测器，既不能单纯依赖加速度计，也不能只使用陀螺仪，这是因为每种感测器都有一定的局限性。

例如陀螺仪输出的是角速度，要透过积分才能获得角度，但是即使在零输入状态时，陀螺依然是有输出的，它的输出是白色杂讯和慢变随机函数的叠加，因此，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。

这就需要加速度计来校正陀螺仪，因为加速度计可以利用力的分解原理，透过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。由于没有积分误差，所以加速度计在相对静止的条件下可以校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度计输出的可信度就会下降，因为它测量的是重力和外力的合力。较常见的演算法就是利用互补滤波，结合加速度计和陀螺仪的输出来算出角度变化。

赵延辉表示，ADI产品主要的优势就是在各种恶劣条件下，均可获得高精密度的输出。以陀螺仪为例，它的理想输出是只回应角速度变化，但实际上受设计和制程的限制，陀螺仪对于加速度也很敏感，即我们在陀螺仪资料手册上常见的deg/sec/g的指标。对于多轴飞行器的应用来说，这个指标尤为重要，因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，一旦减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，那势必会带来陀螺输出的变化，进而引起角度变化，导致马达错误动作，最后为终端使用者的直观感觉就是飞行器并不平稳。

除此之外，在某些情况下，如果飞行器突然转弯，可能会造成输入转速超过陀螺仪的测试量程，理想情况下，陀螺仪的输出应该是饱和输出，待转速恢复到陀螺仪限制范围后，陀螺仪再正确反应即时的角速度变化，但有些陀螺仪却不是这样，一旦输入超过限制范围，陀螺便会产生震荡输出，给出完全错误的角速度。还有某些情况下，飞行器会受到较大的加速度冲击，理想情况陀螺仪要尽量抑制这种冲击，ADI的陀螺仪在设计时候，也充分考虑到这种情况，利用双核心和四核心的机械结构，采用差分输出的原理来抑制这种‘共模’的冲击，准确测量‘差模’的角速度变化。但某些陀螺仪在这种情况下会产生非常大错误输出，甚至是产生震荡输出。

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