无人机各模块详解与技术分析

无人机各模块详解与技术分析无人机各模块详解与技术分析 如今无人机成为了展会最大的热点之一 大疆 DJI Parrot 3D Robotics AirDog 等知名无人机公司都有展示他们的最新产品 甚至是英特尔 高通的展位上展出了通信功能强大 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 甚至我们之前都没有来得及细细研 究它 与固定翼无人机相比 多轴飞行器的飞行更加稳定 能在空中悬停 主 机的硬件结构及标准的遥控器的结构图如下图 四轴飞行器系统解析图 遥控器系统解析图 以上只是标准产品的解剖图 有些更加高级的如针对航模发烧友和航拍用户们 的无人机系统 还会要求有云台 摄像头 视频传输系统以及视频接收等更多 模块 飞控的大脑 微控制器飞控的大脑 微控制器 在四轴飞行器的飞控主板上 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 意法半导体高级市 场工程师介绍 无人机 多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分 其中飞行控制包括电调 马达控制 飞机姿态控制以及云台控制等 目前主流的 电调控制方式主要分成 BLDC 方波控制以及 FOC 正弦波控制 新唐的 MCU 负责人表示 多轴飞行器由遥控 飞控 动力系统 航拍等不同多轴飞行器由遥控 飞控 动力系统 航拍等不同 模块构成 根据不同等级产品的需求 会采用到不同模块构成 根据不同等级产品的需求 会采用到不同 CPU 内核 内核 例如小四轴的 飞行主控 因功能单纯 体积小 必须同时整合遥控接收 飞行控制及动 力驱动功能 中高阶多轴飞行器则采用内建 DSP 及浮点运算单元的 负责飞 行主控功能 驱动无刷电机的电调 ESC 板则采用 MINI5 1 0889 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 视频边译码器的 N329 系列 SOC 则 应用于 2 4G 及 5 8G 的航拍系统 在飞控主板上 目前控制和处理用得最多的还是 MCU 而不是 CPU 由于对于飞 行控制方面主要都是浮点运算 简单的 ARM Cortex M4 内核 32 位 MCU 都可以 很好的满足 有的传感器 MEMS 芯片中已经集成了 DSP 与之搭配的话 更加 简单的 8 位单片机也可以做到 高通和英特尔推的飞控主芯片高通和英特尔推的飞控主芯片 CES 上我们看到了高通和英特尔展示了功能更为丰富的多轴飞行器 他们采用 了比微控制器 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 CES 上展示的 Snapdragon Cargo 无人机是基于高通 Snapdragon 芯片开发出来的飞行控制器 它有无线通信 传感器集成和空间定 位等功能 Intel CEO Brian Krzanich 也亲自在 CES 上演示了他们的无人机 这款 无人机采用了 RealSense 技术 能够建起 3D 地图和感知周围环境 它可以 像一只蝙蝠一样飞行 能主动避免障碍物 英特尔的无人机是与一家德国工业 无人机厂商 Ascending Technologies 合作开发 内置了高达 6 个英特尔的 RealSense 3D 摄像头 以及采用了四核的英特尔凌动 Atom 处理器的 PCI express 定制卡 来处理距离远近与传感器的实时信息 以及如何避免近距离的 障碍物 这两家公司在 CES 展示如此强大功能的无人机 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 也表示已经进入到无人机 领域 XMOS 公司市场营销和业务拓展副总裁 Paul Neil 博士表示 XMOS 的 xCORE 多核微控制器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 多核微控制器既用于飞行控制也用于 MCU 内部通信 Paul Neil 说 xCORE 多核微控制器拥有数量在多核微控制器拥有数量在 8 到到 32 个之间的 频率高达个之间的 频率高达 500MHz 的的 32 位位 RISC 内核 内核 xCORE 器件也带有 Hardware Response I O 接口 它们可提供卓越的硬件实时 I O 性能 同时伴随很低的延迟 这种多核解决方 案支持完全独立地执行系统控制与通信任务 不产生任何实时操作系统 RTOS 开销 xCORE 微控制器的硬件实时性能使得我们的客户能够实现非常 精确的控制算法 同时在系统内无抖动 xCORE 多核微控制器的这些优点 正 是吸引诸如无人机 多轴飞行器这样的高可靠性 高实时性应用用户的关键之处 多轴飞行器需要用到四至六颗无刷电机 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 MCU 来做控制 但也有一颗 MCU 控制多个 BLDC 马达的方案 多轴无人机的多轴无人机的 EMS 传感器传感器 某无人机方案商总经理认为 目前业内的玩具级飞行器 虽然大部分从三轴升 级到了六轴 MEMS 但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价 格敏感型型号 在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上 则会 用到质量更为价格更高的传感器 以保障无人机更为稳定 安全的飞行 这些 MEMS 传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航 飞行器之所以 能悬停 可以做航拍 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 就可以控制电机向相反的方向转动 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 也不能单纯依赖陀螺仪 这是因为每种传感器都有一定的局限性 比如说陀螺仪输出的是角速度 要通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 它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加 受 此影响 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 通过 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 出的可信度就要下降 因为它测量的是重力和外力的合力 较常见的算法就是 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 ADI 亚太区微机电产品市场和应用经理表示 ADI 产品主要的优势就是在各种恶产品主要的优势就是在各种恶 劣条件下 均可获得高精度的输出 劣条件下 均可获得高精度的输出 以陀螺仪为例 它的理想输出是只响应角 速度变化 但实际上受设计和工艺的限制 陀螺对加速度也是敏感的 就是我 们在陀螺仪数据手册上常见的 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 马达就会误动作 最后给终端用户的直观感觉就是飞 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 陀螺仪量程范围后 陀螺仪再正确反应实时的角速度变化 但有些陀螺仪确不 是这样 一旦输入超过量程 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 的陀螺仪在设计的时候 也充分考虑到这种情况 利用双核 和四核的机械结构 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 对于飞行器来说 最重要的一点就是安全 无论它的硬件设计还是软件设计 都要首先保证安全 而后才是极致的用户体验 未来飞行器上的 MEMS 产品也会向集成化方向发展 比如 3 轴加速度加上 3 轴陀螺仪的集成产品 甚至是 SOC 把处理器也集成进去 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 当 然可靠性依然是最