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多轴飞行器无人机硬件技术揭密

2016-5-28 14:13| 发布者: cfso5068| 查看: 3132| 评论: 0

摘要:   无人机在2015年已经迅速地成为现象级的热门产品。为此,通过特别采访业界多家公司,期望瞭解无人机的硬件结构以及它今后的技术发展趋势。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 ...

  无人机在2015年已经迅速地成为现象级的热门产品。为此,通过特别采访业界多家公司,期望瞭解无人机的硬件结构以及它今后的技术发展趋势。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。

  主机的硬件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,需要用到的芯片并不多。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,根据外部传感器的不同,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-M0 MINI54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-M4 M451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4T 8051 N79E814;中高阶遥控器则采用Cortex-M0 M051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ARM Cortex-M4核心32位元MCU就能满足需求。有的传感器MEMS芯片中已经整合了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ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。

  例如,高通展示的Snapdragon Cargo无人机基于高通Snapdragon芯片开发的飞行控制器,具有无线通讯、传感器整合和空间定位等功能。英特尔执行长Brian Krzanich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Ascending Technologies合作开发,内建高达6个英特尔的RealSense 3D摄影机,以及采用基于四核心英特尔Atom处理器的PCI Express客制卡,用于处理距离远近与传感器的即时资讯,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Paul Neil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。

  Paul Neil表示,“xCORE多核心MCU拥有数量在8到32个之间、频率高达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的硬件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。STM32 Dynamic Efficiency MCU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/传感器

  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、价格更高的传感器,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传感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传感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传感器测量角度变化,一般要选择组合传感器,既不能单纯依赖加速度计,也不能只使用陀螺仪,这是因为每种传感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。

  赵延辉说:“对于飞行器来说,最重要的一点就是安全,无论是硬件设计还是软体设计,都要先确保安全,而后才是极致的用户体验。ADI的MEMS传感器设计首先是保证在各种极端条件下的稳定性,然后再追求极致的指标。根据客户实测回馈,在飞行器错误作业,不小心掉落后,ADI的陀螺仪输出基本不会受任何影响,而其它某些陀螺仪会出现非常大零点偏移。ADI的加速度计在受到冲击后,也不会产生任何可靠性问题,而其它某些加速度计则会以很大机率出现完全无输出的现象。这些用户实测出来的差异,都得益于ADI MEMS传感器在设计时对各种极端情况的充分考虑。”

  “未来飞行器上的MEMS产品也会朝整合化方向发展,如3轴加速度加上3轴陀螺仪的整合式产品,甚至是SoC,把处理器也整合进去,直接提供角度输出供后端处理器调用。由于飞行器的应用场景一般都是户外,客户势必会做全温范围内的温度补偿,而在出厂前就对MEMS产品做好了全温范围内的温补,或者是设计超级低温漂的传感器,都会是MEMS产品在这一领域的发展方向。”

  陈一民认为,随着无人机的功能不断增加,越来越多的GPS传感器、红外线传感器、气压传感器、超音波传感器被应用于无人机。方案供应商已经在利用红外线和超音波传感器来开发可自动避撞的无人机,以满足将来相关法规的要求。整合GPS传感器的无人机则可实现一键返航功能,防止无人机飞行丢失。而内建GPS功能的无人机可以在软体中设置接近机场或航空限制的警示,避免误入管制区域。

  无线控制与视讯传输

  作为娱乐级的无人机,可能只需要2.4GHz或5.8GHz等无线遥控技术即可满足传输需求。虽然433MHz频段穿透性强、通讯距离远,最远可传输达2公里,但由于其抗干扰能力弱,遥控无人机或飞行器上都不太采用。很多家芯片厂商均可提供2.4GHz或5.8GHz的无线射频芯片,一直以来多半都为遥控玩具厂商采用,可供选择的芯片较多。

  多轴无人机由于可以非常稳定的飞行,在装载云台和相机后,可以在高空中拍摄视讯,并透过无线通讯(5.8G、WI-FI或LTE)即时传输到地面,其用途更加广泛。合泰半导体产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章认为,四轴空拍飞行器已经从少数的用途(交通监控、大气监控、城市规划、边境巡防、灾情监视、监测农业庄稼生长与病虫害情况、精准喷洒农药、边疆巡航、城市反恐等),开始走向大众消费者(空拍),成为一款智慧硬件商品。

  目前博通公司(Broadcom)的Wi-Fi和蓝牙组合芯片已广泛应用于无人机上,在控制讯号传输和视讯传输上均有涉猎。应用于无人机上的WLAN芯片主要特性为同时维护视讯通道和控制通道的可靠性和稳定性。这些芯片拥有先进的接收架构、高接收灵敏度,以及各种先进的通道管理能力,其中就包括针对高速和抗噪连接的MIMO和双频技术。“博通的WICED 开发套件支援Linux、Android和基于RTOS的作业系统,”博通公司无线连接组合事业部产品资深行销总监Brian Bedrosia说。

  在无人机的视讯传输方面,一般的做法是在云台搭载相机,高空拍摄再飞回地面检查。这种方式由于不能即时看到拍摄画面,所以还不能满足空拍的要求。陈一民介绍,目前有不少方案是采用5.8GHz频段传输类比视讯到地面,最远距离能达600多公尺。但这种方式需要在飞行器上将高解析(1,080P或4K)转码成720P,再转成数位讯号传输到遥控器显示幕上,技术上较复杂,画面品质不够好,而且会有马赛克、停顿或卡死的情形。

  目前包括博通与高通等专业Wi-Fi芯片商都尚未开发出这种远距离无线传输高解析视讯的芯片。但随着无人机市场持续延烧,无线芯片厂商已在着手计划推出专用芯片了。“未来我们将会看到能同时与控制器和显示器建立链路的双模芯片组,”博通的Brian Bedrosian表示。

  在专用芯片推出之前,一种采用软体定义无线电(SDR)的方法解决了无线远距离和高频宽传输的矛盾。在ADI公司的软体定义无线电技术问世之前,RF工程师可以透过分离元件实现远距离高频宽的无线传输,但是方案既复杂成本也很高,开发时间太长,不太适合用于消费性产品上。

  ADI半导体资深客户应用经理章新明介绍,AD9561/64系列整合式RF收发器已经被大量应用到无人机了。“AD9561/64拥有高性能2x2I/Q收发器,可以实现 70MHz至6.0GHz可调频率范围,200kHz至56HHz频段,可为无人机轻松实现较远距离的高解析无线传输。”章新明说,“它同时还可以传输指令,无人机的无线传输可省去2.4GHz的RF收发IC。”

  无人机仍面临技术挑战

  虽然无人机前景被一致看好,但事实上无人机仍然面临很多技术上的难题,包括电池的续航瓶颈、更高效率的旋翼设计、远端的控制与通讯,以及在软体上如何更方便地操控与普及产品等。这些方面的技术挑战,随着众多公司在无人机上的研发不断投入都有可能解决,但还有一个现实的问题困扰着无人机,尤其是专业空拍级的无人机厂商。

  专业空拍无人机定价高,而且还搭载着高阶的摄影机或相机。在使用过程中,哪怕是出现一次故障,造成无人机坠机,都会为消费者带来重大损失,甚至是地面人员的人身安全。无人机制造厂伟力玩具技术总监翟占超本人也是一位多年的模型飞机玩家,他认为造成无人机坠机的原因可归纳为两种:一是生产与安装过程中品管不足,出现机械方面的问题;另一种是讯号与软体演算法的问题。

  翟占超表示,目前仍难以彻底解决无人机飞行器的‘坠机’问题。现在装配的问题比较容易发现并且避免,如调速器行程不一致、连线不够稳定、机身震动、结构装配不完整等,这些问题在飞机动作量大时很容易导致失控。最严重的是飞控自身存在的不稳定,将会不定时的出现运算错误,例如由于环境原因造成的磁场错乱、GPS讯号弱、遥控器失控以及电池突然没电等。因此,在飞行控制时必须考虑到发生这些情况时的安全处理。


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