無(wú)人機(jī)在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級(jí)的熱門產(chǎn)品。為此，通過(guò)特別采訪業(yè)界多家公司，期望瞭解無(wú)人機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以及它今后的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。相較于固定翼無(wú)人機(jī)，多軸飛行器/無(wú)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

　　（來(lái)源：Holtek）

　　圖2：標(biāo)準(zhǔn)的遙控器系統(tǒng)解析圖

　?。▉?lái)源：Holtek）

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

　　無(wú)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(jí)飛行器還只是簡(jiǎn)單地在空中飛行或停留，只要能夠接收到遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，控制四個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)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(wú)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(shì)控制以及云臺(tái)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(jià)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(tái)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(wú)顯示器產(chǎn)品類型之外，STM32F429由于內(nèi)建TFT彩色驅(qū)動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)、空拍等不同模組構(gòu)成，根據(jù)不同等級(jí)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(shí)整合遙控接收、飛行控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(diǎn)運(yùn)算單元的Cortex-M4 M451系列，負(fù)責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷馬達(dá)的ESC板則采用MINI5系列設(shè)計(jì)。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(duì)于飛行控制方面主要都是浮點(diǎn)運(yùn)算，簡(jiǎn)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(jiǎn)單的8位元MCU即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

　　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(qiáng)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(wú)人機(jī)基于高通Snapdragon芯片開(kāi)發(fā)的飛行控制器，具有無(wú)線通訊、傳感器整合和空間定位等功能。英特爾執(zhí)行長(zhǎng)Brian Krzanich親自在CES上展示采用其RealSense技術(shù)的無(wú)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(dòng)避免障礙物。英特爾的無(wú)人機(jī)與德國(guó)工業(yè)無(wú)人機(jī)廠商Ascending Technologies合作開(kāi)發(fā)，內(nèi)建高達(dá)6個(gè)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(shí)資訊，以及避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示強(qiáng)大功能的無(wú)人機(jī)，一是看好無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)，二是美國(guó)即將推出相關(guān)法規(guī)，對(duì)無(wú)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(chǎng)的歐洲處理器廠商XMOS也開(kāi)始進(jìn)入無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。XMOS市場(chǎng)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(wú)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(gè)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(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲?！边@種多核心解決方案支援完全獨(dú)立的執(zhí)行系統(tǒng)控制與通訊任務(wù)，不產(chǎn)生任何即時(shí)作業(yè)系統(tǒng)（RTOS）開(kāi)銷。xCOREMCU的硬件即時(shí)性能可協(xié)助客戶實(shí)現(xiàn)非常精確的控制演算法，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)無(wú)抖動(dòng)。

　　ST則表示，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構(gòu)，集高性能、即時(shí)功能、數(shù)位訊號(hào)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(dòng)態(tài)功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設(shè)計(jì)更完美。

　　多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷馬達(dá)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)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(gè)BLDC馬達(dá)的方案。

　　多軸無(wú)人機(jī)的MEMS/傳感器

　　無(wú)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(jí)飛行器，雖然大部份從三軸升級(jí)到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費(fèi)性產(chǎn)品如平板或手機(jī)上較常用的價(jià)格敏感型型號(hào)。針對(duì)專業(yè)空拍以及專為模型飛機(jī)玩家開(kāi)發(fā)的中高階無(wú)人機(jī)，則會(huì)用到品質(zhì)更好、價(jià)格更高的傳感器，以保障無(wú)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(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝介紹，ADI的工業(yè)級(jí)陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642和工業(yè)級(jí)加速度計(jì)ADXL203、 ADXL278已廣泛用于專業(yè)級(jí)的空拍設(shè)備上。而商業(yè)級(jí)的加速度計(jì)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(lái)實(shí)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?yàn)镸EMS傳感器可以檢測(cè)飛行器在飛行過(guò)程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化，在檢測(cè)到角度變化后，就可以控制馬達(dá)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS傳感器測(cè)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(jì)，也不能只使用陀螺儀，這是因?yàn)槊糠N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(guò)積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，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(guò)程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。

　　這就需要加速度計(jì)來(lái)校正陀螺儀，因?yàn)榧铀俣扔?jì)可以利用力的分解原理，透過(guò)重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒(méi)有積分誤差，所以加速度計(jì)在相對(duì)靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度計(jì)輸出的可信度就會(huì)下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。較常見(jiàn)的演算法就是利用互補(bǔ)濾波，結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀的輸出來(lái)算出角度變化。

　　趙延輝表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢(shì)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(shí)際上受設(shè)計(jì)和制程的限制，陀螺儀對(duì)于加速度也很敏感，即我們?cè)谕勇輧x資料手冊(cè)上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì)在飛行過(guò)程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢(shì)必會(huì)帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，導(dǎo)致馬達(dá)錯(cuò)誤動(dòng)作，最后為終端使用者的直觀感覺(jué)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(huì)造成輸入轉(zhuǎn)速超過(guò)陀螺儀的測(cè)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(shí)的角速度變化，但有些陀螺儀卻不是這樣，一旦輸入超過(guò)限制范圍，陀螺便會(huì)產(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯(cuò)誤的角速度。還有某些情況下，飛行器會(huì)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(jì)時(shí)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(lái)抑制這種‘共模’的沖擊，準(zhǔn)確測(cè)量‘差?！慕撬俣茸兓?。但某些陀螺儀在這種情況下會(huì)產(chǎn)生非常大錯(cuò)誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。

　　趙延輝說(shuō)：“對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是安全，無(wú)論是硬件設(shè)計(jì)還是軟體設(shè)計(jì)，都要先確保安全，而后才是極致的用戶體驗(yàn)。ADI的MEMS傳感器設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)回饋，在飛行器錯(cuò)誤作業(yè)，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會(huì)受任何影響，而其它某些陀螺儀會(huì)出現(xiàn)非常大零點(diǎn)偏移。ADI的加速度計(jì)在受到?jīng)_擊后，也不會(huì)產(chǎn)生任何可靠性問(wèn)題，而其它某些加速度計(jì)則會(huì)以很大機(jī)率出現(xiàn)完全無(wú)輸出的現(xiàn)象。這些用戶實(shí)測(cè)出來(lái)的差異，都得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種極端情況的充分考慮?！?/p>

　　“未來(lái)飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì)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(chǎng)景一般都是戶外，客戶勢(shì)必會(huì)做全溫范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償，而在出廠前就對(duì)MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補(bǔ)，或者是設(shè)計(jì)超級(jí)低溫漂的傳感器，都會(huì)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(wú)人機(jī)的功能不斷增加，越來(lái)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(wú)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(lái)開(kāi)發(fā)可自動(dòng)避撞的無(wú)人機(jī)，以滿足將來(lái)相關(guān)法規(guī)的要求。整合GPS傳感器的無(wú)人機(jī)則可實(shí)現(xiàn)一鍵返航功能，防止無(wú)人機(jī)飛行丟失。而內(nèi)建GPS功能的無(wú)人機(jī)可以在軟體中設(shè)置接近機(jī)場(chǎng)或航空限制的警示，避免誤入管制區(qū)域。

　　無(wú)線控制與視訊傳輸

　　作為娛樂(lè)級(jí)的無(wú)人機(jī)，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等無(wú)線遙控技術(shù)即可滿足傳輸需求。雖然433MHz頻段穿透性強(qiáng)、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(wú)線射頻芯片，一直以來(lái)多半都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多。

　　多軸無(wú)人機(jī)由于可以非常穩(wěn)定的飛行，在裝載云臺(tái)和相機(jī)后，可以在高空中拍攝視訊，并透過(guò)無(wú)線通訊（5.8G、WI-FI或LTE）即時(shí)傳輸?shù)降孛?，其用途更加廣泛。合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)處/馬達(dá)產(chǎn)品技術(shù)部專案處長(zhǎng)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(cè)農(nóng)業(yè)莊稼生長(zhǎng)與病蟲害情況、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、邊疆巡航、城市反恐等），開(kāi)始走向大眾消費(fèi)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(wú)人機(jī)上，在控制訊號(hào)傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應(yīng)用于無(wú)人機(jī)上的WLAN芯片主要特性為同時(shí)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(duì)高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術(shù)。“博通的WICED 開(kāi)發(fā)套件支援Linux、Android和基于RTOS的作業(yè)系統(tǒng)，”博通公司無(wú)線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品資深行銷總監(jiān)Brian Bedrosia說(shuō)。

　　在無(wú)人機(jī)的視訊傳輸方面，一般的做法是在云臺(tái)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(shí)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(hào)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(huì)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(kāi)發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸高解析視訊的芯片。但隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)持續(xù)延燒，無(wú)線芯片廠商已在著手計(jì)劃推出專用芯片了?！拔磥?lái)我們將會(huì)看到能同時(shí)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(wú)線電（SDR）的方法解決了無(wú)線遠(yuǎn)距離和高頻寬傳輸?shù)拿?。在ADI公司的軟體定義無(wú)線電技術(shù)問(wèn)世之前，RF工程師可以透過(guò)分離元件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高頻寬的無(wú)線傳輸，但是方案既復(fù)雜成本也很高，開(kāi)發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，不太適合用于消費(fèi)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(wú)人機(jī)了。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn) 70MHz至6.0GHz可調(diào)頻率范圍，200kHz至56HHz頻段，可為無(wú)人機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的高解析無(wú)線傳輸?！闭滦旅髡f(shuō)，“它同時(shí)還可以傳輸指令，無(wú)人機(jī)的無(wú)線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC?！?/p>

　　無(wú)人機(jī)仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

　　雖然無(wú)人機(jī)前景被一致看好，但事實(shí)上無(wú)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(jì)、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(wú)人機(jī)上的研發(fā)不斷投入都有可能解決，但還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題困擾著無(wú)人機(jī)，尤其是專業(yè)空拍級(jí)的無(wú)人機(jī)廠商。

　　專業(yè)空拍無(wú)人機(jī)定價(jià)高，而且還搭載著高階的攝影機(jī)或相機(jī)。在使用過(guò)程中，哪怕是出現(xiàn)一次故障，造成無(wú)人機(jī)墜機(jī)，都會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)重大損失，甚至是地面人員的人身安全。無(wú)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(wú)人機(jī)墜機(jī)的原因可歸納為兩種：一是生產(chǎn)與安裝過(guò)程中品管不足，出現(xiàn)機(jī)械方面的問(wèn)題;另一種是訊號(hào)與軟體演算法的問(wèn)題。

　　翟占超表示，目前仍難以徹底解決無(wú)人機(jī)飛行器的‘墜機(jī)’問(wèn)題?，F(xiàn)在裝配的問(wèn)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(dòng)、結(jié)構(gòu)裝配不完整等，這些問(wèn)題在飛機(jī)動(dòng)作量大時(shí)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(huì)不定時(shí)的出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤，例如由于環(huán)境原因造成的磁場(chǎng)錯(cuò)亂、GPS訊號(hào)弱、遙控器失控以及電池突然沒(méi)電等。因此，在飛行控制時(shí)必須考慮到發(fā)生這些情況時(shí)的安全處理。