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多軸飛行器無人機硬體技術揭密

上網時間: 2015年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無人機  多軸飛行器  MCU  MEMS  遙控器 

作者:張迎輝

在今年CES上無人機成為展會最大的熱點之一,包括大疆(DJI)、Parrot、3D Robotics、AirDog等知名無人機公司都展示最新產品。甚至是英特爾、高通都展出了通訊功能強大、能夠自動避開障礙物的飛行器。無人機在2015年已經迅速地成為現象級的熱門產品。為此,中國版《電子工程專輯》特別採訪業界多家公司,期望瞭解無人機的硬體結構以及它今後的技術發展趨勢。

相較於固定翼無人機,多軸飛行器/無人機(Drones)的飛行更加穩定,能在空中懸停。主機的硬體結構以及遙控器系統主要如圖所示:

圖1:四軸飛行器系統解析圖
圖1:四軸飛行器系統解析圖
(來源:Holtek)

圖2:標準的遙控器系統解析圖
圖2:標準的遙控器系統解析圖
(來源:Holtek)

此外,有些更加先進的無人機系統,如針對模型飛機玩家和空拍攝影家打造的裝置還會要求有雲台、攝影機、視訊傳輸系統以及視訊接收等更多模組。

無人機的大腦:MCU

在四軸飛行器的飛控主機板上,需要用到的晶片並不多。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送過來的指令,控制四個馬達帶動槳翼,基本上就可以實現飛行或懸停的功能。

意法半導體(ST)資深行銷工程師任遠介紹,無人機/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)/馬達控制、飛機姿勢控制以及雲台控制等。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、小封裝以及超值的性價比被廣泛採用。在飛機姿態控制方面,根據外部感測器的不同,可提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列因應客戶的需求。雲台控制方面,STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經廣泛應用於空拍產品中。此外,在遙控器方面,除了STM32F0/STM32F1系列應用於傳統的無顯示器產品類型之外,STM32F429由於內建TFT彩色驅動器正逐漸用於帶彩色顯示的遙控器當中。

新唐的MCU負責人表示:多軸飛行器由遙控、飛行控制、動力系統、空拍等不同模組構成,根據不同等級產品的需求採用從8051、Cortex-M0、Cortex-M4到ARM9等不同CPU核心,新唐科技已有多款MCU被應用在多軸飛行器中。例如小四軸的飛行主控制器由於功能單純、體積小,必須同時整合遙控接收、飛行控制及動力驅動功能,採用QFN33或TSOP20封裝的 Cortex-M0 MINI54系列;中高階多軸飛行器則採用內建DSP及浮點運算單元的Cortex-M4 M451系列,負責飛行主控功能,驅動無刷馬達的ESC板則採用MINI5系列設計。低階遙控器使用 SOP20 封裝的4T 8051 N79E814;中高階遙控器則採用Cortex-M0 M051系列。另外內建ARM9及H.264 視訊編解碼器的N329系列SoC則應用於2.4G及5.8G的空拍系統。

在飛控主機板上,目前控制和處理用的最多的還是MCU。由於對於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。有的感測器MEMS晶片中已經整合了DSP,更加簡單的8位元MCU即可實現設計。

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,採用了比MCU更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主晶片。

例如,高通展示的Snapdragon Cargo無人機基於高通Snapdragon晶片開發的飛行控制器,具有無線通訊、感測器整合和空間定位等功能。英特爾執行長Brian Krzanich親自在CES上展示採用其RealSense技術的無人機,能夠建立3D地圖和感知周圍環境,並且可以像蝙蝠一樣飛行,能自動避免障礙物。英特爾的無人機與德國工業無人機廠商Ascending Technologies合作開發,內建高達6個英特爾的RealSense 3D攝影機,以及採用基於四核心英特爾Atom處理器的PCI Express客製卡,用於處理距離遠近與感測器的即時資訊,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,一是看好無人機的市場,二是美國即將推出相關法規,對無人機的飛行將有嚴格的管控。

此外,活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也開始進入無人機領域。XMOS市場行銷和業務拓展副總裁Paul Neil表示,XMOS的xCORE多核心MCU系列已被一些無人機/多軸飛行器的OEM客戶採用。在這些系統中,XMOS多核心MCU既可用於飛行控制也用於MCU內部通訊。

Paul Neil表示,“xCORE多核心MCU擁有數量在8到32個之間、頻率高達500 MHz的32位元RISC核心。xCOR元件也具有Hardware Response I/O介面,可提供卓越的硬體即時I/O性能,同時伴隨很低的延遲。”這種多核心解決方案支援完全獨立的執行系統控制與通訊任務,不產生任何即時作業系統(RTOS)開銷。xCOREMCU的硬體即時性能可協助客戶實現非常精確的控制演算法,同時在系統內無抖動。

ST則表示,STM32F7系列採用最新一代Cortex-M7架構,集高性能、即時功能、數位訊號處理、高整合度於一,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系列在動態功耗與處理性能之間取得完美平衡,使飛行器設計更完美。

多軸飛行器需要用到四至六顆無刷馬達,用來驅動無人機的旋翼。而馬達驅動控制器就是用來控制無人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位元MCU控制,但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

(下一頁繼續:多軸無人機應用的MEMS感測器)


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