無人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級的熱門產(chǎn)品。為此,，通過特別采訪業(yè)界多家公司,，期望瞭解無人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以及它今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。相較于固定翼無人機(jī),，多軸飛行器/無人機(jī)（Drones）的飛行更加穩(wěn)定,，能在空中懸停。

　　主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以及遙控器系統(tǒng)主要如圖所示：

　　圖1：四軸飛行器系統(tǒng)解析圖

　?。▉碓矗篐oltek）

　　圖2：標(biāo)準(zhǔn)的遙控器系統(tǒng)解析圖

　?。▉碓矗篐oltek）

　　此外，有些更加先進(jìn)的無人機(jī)系統(tǒng),，如針對模型飛機(jī)玩家和空拍攝影家打造的裝置還會要求有云臺,、攝影機(jī),、視訊傳輸系統(tǒng)以及視訊接收等更多模組。

　　無人機(jī)的大腦：MCU

　　在四軸飛行器的飛控主機(jī)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(dá)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(dǎo)體（ST）資深行銷工程師任遠(yuǎn)介紹,，無人機(jī)/多軸飛行器主要元件包括飛行控制以及遙控器兩部份,。其中飛行控制包括電子變速器（ESC）/馬達(dá)控制、飛機(jī)姿勢控制以及云臺控制等,。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、小封裝以及超值的性價比被廣泛采用,。在飛機(jī)姿態(tài)控制方面,，根據(jù)外部傳感器的不同，可提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列因應(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)用于空拍產(chǎn)品中。此外,，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應(yīng)用于傳統(tǒng)的無顯示器產(chǎn)品類型之外,，STM32F429由于內(nèi)建TFT彩色驅(qū)動器正逐漸用于帶彩色顯示的遙控器當(dāng)中,。

　　新唐的MCU負(fù)責(zé)人表示：多軸飛行器由遙控、飛行控制,、動力系統(tǒng),、空拍等不同模組構(gòu)成，根據(jù)不同等級產(chǎn)品的需求采用從8051,、Cortex-M0,、Cortex-M4到ARM9等不同CPU核心，新唐科技已有多款MCU被應(yīng)用在多軸飛行器中,。例如小四軸的飛行主控制器由于功能單純,、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(fù)責(zé)飛行主控功能,，驅(qū)動無刷馬達(dá)的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 視訊編解碼器的N329系列SoC則應(yīng)用于2.4G及5.8G的空拍系統(tǒng)。

　　在飛控主機(jī)板上,，目前控制和處理用的最多的還是MCU,。由于對于飛行控制方面主要都是浮點運算，簡單的ARM Cortex-M4核心32位元MCU就能滿足需求,。有的傳感器MEMS芯片中已經(jīng)整合了DSP,，更加簡單的8位元MCU即可實現(xiàn)設(shè)計。

　　高通和英特爾在今年的CES上展示了功能更為豐富的多軸飛行器,，采用了比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，高通展示的Snapdragon Cargo無人機(jī)基于高通Snapdragon芯片開發(fā)的飛行控制器,，具有無線通訊,、傳感器整合和空間定位等功能。英特爾執(zhí)行長Brian Krzanich親自在CES上展示采用其RealSense技術(shù)的無人機(jī),，能夠建立3D地圖和感知周圍環(huán)境,，并且可以像蝙蝠一樣飛行，能自動避免障礙物,。英特爾的無人機(jī)與德國工業(yè)無人機(jī)廠商Ascending Technologies合作開發(fā),，內(nèi)建高達(dá)6個英特爾的RealSense 3D攝影機(jī)，以及采用基于四核心英特爾Atom處理器的PCI Express客制卡,，用于處理距離遠(yuǎn)近與傳感器的即時資訊,，以及避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示強大功能的無人機(jī),，一是看好無人機(jī)的市場,，二是美國即將推出相關(guān)法規(guī)，對無人機(jī)的飛行將有嚴(yán)格的管控,。

　　此外,，活躍在在機(jī)器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也開始進(jìn)入無人機(jī)領(lǐng)域。XMOS市場行銷和業(yè)務(wù)拓展副總裁Paul Neil表示,，XMOS的xCORE多核心MCU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多核心MCU既可用于飛行控制也用于MCU內(nèi)部通訊,。

　　Paul Neil表示,，“xCORE多核心MCU擁有數(shù)量在8到32個之間、頻率高達(dá)500 MHz的32位元RISC核心,。xCOR元件也具有Hardware Response I/O介面,，可提供卓越的硬件即時I/O性能，同時伴隨很低的延遲,?！边@種多核心解決方案支援完全獨立的執(zhí)行系統(tǒng)控制與通訊任務(wù),，不產(chǎn)生任何即時作業(yè)系統(tǒng)（RTOS）開銷。xCOREMCU的硬件即時性能可協(xié)助客戶實現(xiàn)非常精確的控制演算法,，同時在系統(tǒng)內(nèi)無抖動,。

　　ST則表示，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構(gòu),，集高性能,、即時功能、數(shù)位訊號處理,、高整合度于一,，為有高精密度控制需求的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency MCU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)計更完美,。

　　多軸飛行器需要用到四至六顆無刷馬達(dá)，用來驅(qū)動無人機(jī)的旋翼,。而馬達(dá)驅(qū)動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位元MCU控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達(dá)的方案,。

　　多軸無人機(jī)的MEMS/傳感器

　　無人機(jī)方案商深圳富微科創(chuàng)電子公司總經(jīng)理陳一民認(rèn)為,，目前業(yè)界的玩具級飛行器，雖然大部份從三軸升級到了六軸MEMS,，但通常采用的都是消費性產(chǎn)品如平板或手機(jī)上較常用的價格敏感型型號,。針對專業(yè)空拍以及專為模型飛機(jī)玩家開發(fā)的中高階無人機(jī)，則會用到品質(zhì)更好,、價格更高的傳感器,，以保障無人機(jī)更為穩(wěn)定、安全的飛行,。

　　ADI亞太區(qū)微機(jī)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和工業(yè)級加速度計ADXL203,、 ADXL278已廣泛用于專業(yè)級的空拍設(shè)備上。而商業(yè)級的加速度計ADXL335,、ADXL326,、 ADXL350、ADXL345等,，也持續(xù)被廣泛應(yīng)用于各種飛行器中,。

　　這些MEMS傳感器主要用來實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定控制和輔助導(dǎo)航,。飛行器之所以能懸停，可以做空拍,，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，就可以控制馬達(dá)向相反的方向轉(zhuǎn)動,，進(jìn)而達(dá)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，也不能只使用陀螺儀,，這是因為每種傳感器都有一定的局限性,。

　　例如陀螺儀輸出的是角速度，要透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，它的輸出是白色雜訊和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加,，因此,，在積分的過程中，必然會引進(jìn)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,，透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會下降,，因為它測量的是重力和外力的合力,。較常見的演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，均可獲得高精密度的輸出,。以陀螺儀為例,，它的理想輸出是只回應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和制程的限制，陀螺儀對于加速度也很敏感,，即我們在陀螺儀資料手冊上常見的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(dá)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(jìn)而引起角度變化，導(dǎo)致馬達(dá)錯誤動作,，最后為終端使用者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)到陀螺儀限制范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)即時的角速度變化,，但有些陀螺儀卻不是這樣,，一旦輸入超過限制范圍，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)計時候，也充分考慮到這種情況,，利用雙核心和四核心的機(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)確測量‘差?！慕撬俣茸兓５承┩勇輧x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。

　　趙延輝說：“對于飛行器來說,，最重要的一點就是安全,，無論是硬件設(shè)計還是軟體設(shè)計，都要先確保安全,，而后才是極致的用戶體驗,。ADI的MEMS傳感器設(shè)計首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性,，然后再追求極致的指標(biāo)。根據(jù)客戶實測回饋,，在飛行器錯誤作業(yè),，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機(jī)率出現(xiàn)完全無輸出的現(xiàn)象,。這些用戶實測出來的差異，都得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)計時對各種極端情況的充分考慮,?！?/p>

　　“未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會朝整合化方向發(fā)展，如3軸加速度加上3軸陀螺儀的整合式產(chǎn)品,，甚至是SoC,，把處理器也整合進(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?！?/p>

　　陳一民認(rèn)為,，隨著無人機(jī)的功能不斷增加，越來越多的GPS傳感器,、紅外線傳感器,、氣壓傳感器、超音波傳感器被應(yīng)用于無人機(jī),。方案供應(yīng)商已經(jīng)在利用紅外線和超音波傳感器來開發(fā)可自動避撞的無人機(jī),，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。整合GPS傳感器的無人機(jī)則可實現(xiàn)一鍵返航功能,，防止無人機(jī)飛行丟失,。而內(nèi)建GPS功能的無人機(jī)可以在軟體中設(shè)置接近機(jī)場或航空限制的警示，避免誤入管制區(qū)域,。

　　無線控制與視訊傳輸

　　作為娛樂級的無人機(jī),，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等無線遙控技術(shù)即可滿足傳輸需求。雖然433MHz頻段穿透性強、通訊距離遠(yuǎn),，最遠(yuǎn)可傳輸達(dá)2公里,，但由于其抗干擾能力弱，遙控?zé)o人機(jī)或飛行器上都不太采用,。很多家芯片廠商均可提供2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片,，一直以來多半都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多,。

　　多軸無人機(jī)由于可以非常穩(wěn)定的飛行,，在裝載云臺和相機(jī)后，可以在高空中拍攝視訊,，并透過無線通訊（5.8G,、WI-FI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(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章認(rèn)為,，四軸空拍飛行器已經(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（空拍），成為一款智慧硬件商品,。

　　目前博通公司（Broadcom）的Wi-Fi和藍(lán)牙組合芯片已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)上,，在控制訊號傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應(yīng)用于無人機(jī)上的WLAN芯片主要特性為同時維護(hù)視訊通道和控制通道的可靠性和穩(wěn)定性,。這些芯片擁有先進(jìn)的接收架構(gòu),、高接收靈敏度，以及各種先進(jìn)的通道管理能力,，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)套件支援Linux,、Android和基于RTOS的作業(yè)系統(tǒng),，”博通公司無線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品資深行銷總監(jiān)Brian Bedrosia說。

　　在無人機(jī)的視訊傳輸方面,，一般的做法是在云臺搭載相機(jī),，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，所以還不能滿足空拍的要求,。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸類比視訊到地面,，最遠(yuǎn)距離能達(dá)600多公尺,。但這種方式需要在飛行器上將高解析（1，080P或4K）轉(zhuǎn)碼成720P,，再轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號傳輸?shù)竭b控器顯示幕上,，技術(shù)上較復(fù)雜，畫面品質(zhì)不夠好,，而且會有馬賽克,、停頓或卡死的情形。

　　目前包括博通與高通等專業(yè)Wi-Fi芯片商都尚未開發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無線傳輸高解析視訊的芯片,。但隨著無人機(jī)市場持續(xù)延燒,，無線芯片廠商已在著手計劃推出專用芯片了?！拔磥砦覀儗吹侥芡瑫r與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組,，”博通的Brian Bedrosian表示。

　　在專用芯片推出之前,，一種采用軟體定義無線電（SDR）的方法解決了無線遠(yuǎn)距離和高頻寬傳輸?shù)拿?。在ADI公司的軟體定義無線電技術(shù)問世之前，RF工程師可以透過分離元件實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高頻寬的無線傳輸,，但是方案既復(fù)雜成本也很高,，開發(fā)時間太長，不太適合用于消費性產(chǎn)品上,。

　　ADI半導(dǎo)體資深客戶應(yīng)用經(jīng)理章新明介紹,，AD9561/64系列整合式RF收發(fā)器已經(jīng)被大量應(yīng)用到無人機(jī)了?！癆D9561/64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頻段,，可為無人機(jī)輕松實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的高解析無線傳輸,。”章新明說,，“它同時還可以傳輸指令,，無人機(jī)的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC?！?/p>

　　無人機(jī)仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

　　雖然無人機(jī)前景被一致看好,，但事實上無人機(jī)仍然面臨很多技術(shù)上的難題,，包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼設(shè)計,、遠(yuǎn)端的控制與通訊,，以及在軟體上如何更方便地操控與普及產(chǎn)品等。這些方面的技術(shù)挑戰(zhàn),，隨著眾多公司在無人機(jī)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(jī)，尤其是專業(yè)空拍級的無人機(jī)廠商,。

　　專業(yè)空拍無人機(jī)定價高,，而且還搭載著高階的攝影機(jī)或相機(jī)。在使用過程中,，哪怕是出現(xiàn)一次故障,，造成無人機(jī)墜機(jī)，都會為消費者帶來重大損失,，甚至是地面人員的人身安全,。無人機(jī)制造廠偉力玩具技術(shù)總監(jiān)翟占超本人也是一位多年的模型飛機(jī)玩家，他認(rèn)為造成無人機(jī)墜機(jī)的原因可歸納為兩種：一是生產(chǎn)與安裝過程中品管不足,，出現(xiàn)機(jī)械方面的問題;另一種是訊號與軟體演算法的問題,。

　　翟占超表示，目前仍難以徹底解決無人機(jī)飛行器的‘墜機(jī)’問題?，F(xiàn)在裝配的問題比較容易發(fā)現(xiàn)并且避免,，如調(diào)速器行程不一致、連線不夠穩(wěn)定,、機(jī)身震動,、結(jié)構(gòu)裝配不完整等，這些問題在飛機(jī)動作量大時很容易導(dǎo)致失控,。最嚴(yán)重的是飛控自身存在的不穩(wěn)定,，將會不定時的出現(xiàn)運算錯誤，例如由于環(huán)境原因造成的磁場錯亂,、GPS訊號弱,、遙控器失控以及電池突然沒電等。因此,，在飛行控制時必須考慮到發(fā)生這些情況時的安全處理,。