無人機技術各模塊詳解與技術分析（下）

　　高通和英特爾推的飛控主芯片

　　CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器，他們采用了比微控制器(MCU)更為*的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無人機是基于高通Snapdragon芯片開發出來的飛行控制器，它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。In CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機。這款無人機采用了“RealSense”技術，能夠建起3D地圖和感知周圍環境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動避免障礙物。英特爾的無人機是與一家德國工業無人機廠商Ascending Technologies合作開發，內置了高達6個英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(Atom)處理器的PCI- express定制卡，來處理距離遠近與傳感器的實時信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此*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也表示已經進入到無人機領域。XMOS公司市場營銷和業務拓展副總裁Paul Neil博士表示，XMOS的xCORE多核微控制器系列已被一些無人機/多軸飛行器的OEM客戶采用。在這些系統中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內部通信。

　　Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。xCORE 器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供的硬件實時I/O性能，同時伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持*獨立地執行系統控制與通信任務，不產生任何實時操作系統(RTOS)開銷。xCORE微控制器的硬件實時性能使得我們的客戶能夠實現非常的控制算法，同時在系統內無抖動。xCORE多核微控制器的這些優點，正是吸引諸如無人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實時性應用用戶的關鍵之處。”

　　多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(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MCU來做控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

　　多軸無人機的EMS/傳感器

　　某無人機方案商總認為，目前業內的玩具級飛行器，雖然大部分從三軸升級到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費類產品如平板或手機上較常用的價格敏感型型號。在專業航拍以及專為航模發燒友開發的中無人機上，則會用到質量更為價格更高的傳感器，以保障無人機更為穩定、安全的飛行。

　　這些MEMS傳感器主要用來實現飛行器的平穩控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，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角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉動，進而達到穩定的效果。這是一個典型的閉環控制系統。

　　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，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，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，通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。但在運動狀態下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

　　ADI亞太區微機電產品市場和應用表示，ADI產品主要的優勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應角速度變化，但實際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見的deg/sec /g的指標。對于多軸飛行器的應用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達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生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，zui后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩。

　　除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會造成輸入轉速超過陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應實時的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會產生震蕩輸出，給出*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的陀螺儀在設計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產生非常大錯誤輸出，甚至是產生震蕩輸出。

　　“對于飛行器來說，zui重要的一點就是安全，無論它的硬件設計還是軟件設計，都要首先保證安全，而后才是*的用戶體驗。”

　　“未來飛行器上的MEMS產品也會向集成化方向發展，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產品，甚至是SOC，把處理器也集成進去，直接提供角度輸出供后端處理器調用。由于飛行器的應用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產品在這一領域的發展方向。當然可靠性依然是zui重要的指標。”他認為。

　　隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機上。方案商已經在利用紅外和超聲波傳感器來開發出可自動避撞的無人機，以滿足將來相關法規的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設置接近機場或航空限制的敏感地點，不讓飛機起飛。