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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具
3.無線收發(fā)模塊
無線數(shù)傳模塊采用了一對X b e e P R O900HP無線收發(fā)模塊，該模塊功率為250mW.它們分別用來連接地面控制板單片機(jī)和連接飛行控制的單片機(jī)。配備原裝天線，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10KM，比傳統(tǒng)遙控器距離極大的增加。標(biāo)準(zhǔn)的串口TTL接口，將RX和TX分別接在單片機(jī)板上的TX和RX端口上即可。波特率設(shè)置為115200(＄0.1530)，數(shù)傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗(yàn)，防止數(shù)據(jù)丟包和被干擾篡改。
本文提供的解決方案，成本較低，開發(fā)方便，易于實(shí)現(xiàn)。不足之處是單向傳輸雖然延時低，但是無法實(shí)時返回飛行器的各種數(shù)據(jù)。為解決該問題，只能使用2對無線模塊，或采用MIMO天線能實(shí)現(xiàn)全雙工的無線模塊，才能解決。后期將會繼續(xù)研究，以實(shí)現(xiàn)低成本的雙向傳輸，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)返回的OSD和低延時控制。
TOP4 無人機(jī)陀螺儀主控芯片STM32(＄18.3200)應(yīng)用詳解
在無人機(jī)系統(tǒng)與地面站通信過程中，機(jī)載陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)的高速產(chǎn)生與外部相對低速的無線數(shù)據(jù)模塊傳輸?shù)拿苋找嫱怀觯瑖?yán)重制約著無人機(jī)的發(fā)展。針對這一問題，采用FPGAFIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無人機(jī)陀螺儀前級通信接口。通過高速異步FIFO緩沖，將無人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給地面站，顯著提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高速芯片與低速設(shè)備之間的通信。整個設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，滿足了低誤碼率與高穩(wěn)定性的要求，以及無人機(jī)與地面站高速通信的需求，有著廣闊的市場應(yīng)用前景。
無人機(jī)系統(tǒng)對于地面站發(fā)送的控制信號以及飛行器傳回的姿態(tài)數(shù)據(jù)有著極高的實(shí)時性、可靠性與穩(wěn)定性要求，這對無人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。對于采用 ARM作為微處理器的無人機(jī)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)往往需要協(xié)調(diào)基于ARM處理器的高速陀螺儀模塊與相對低速的外部無線數(shù)據(jù)傳輸模塊間的工作。在通信高穩(wěn)定性與低誤碼率的要求下，處理器不得不花時間運(yùn)行空操作來等待外部相對低速的傳輸模塊完成一幀數(shù)據(jù)的收/發(fā)。由于等待所浪費(fèi)的處理器運(yùn)算周期無形中降低了整個飛控系統(tǒng)的實(shí)時性，進(jìn)而帶來許多潛在的不穩(wěn)定因素。本設(shè)計結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展需求，采用FPGA FIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無人機(jī)陀螺儀前級通信接口。通過高速異步FIFO緩沖，將無人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由 FPGA準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給地面站，保證了傳輸質(zhì)量，架起了高速芯片與低速設(shè)備之間溝通的橋梁。
FPGA內(nèi)建FIFO的基本工作原理
FIFO即先進(jìn)先出隊(duì)列，采用環(huán)形存儲電路結(jié)構(gòu)，是一種傳統(tǒng)的按序執(zhí)行方法。先進(jìn)入的指令先完成并引退，隨后才執(zhí)行第二條指令，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器。根據(jù)FIFO的讀寫時鐘頻率是否相同，可將FIFO分為同步FIFO與異步FIFO。FIFO的應(yīng)用可以很好地協(xié)調(diào)不同時鐘、不同數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)的通信，滿足高/低速時鐘頻率要求。與普通存儲器相比，F(xiàn)IFO沒有外部讀寫地址線，使用方便。
采用FPGA異步FIFO連接基于ARM處理器的高速無人機(jī)陀螺儀模塊與相對低速的無線數(shù)據(jù)傳輸外設(shè)。從硬件的觀點(diǎn)來看，F(xiàn)IFO實(shí)質(zhì)上就是一塊數(shù)據(jù)內(nèi)存。異步FIFO采用2個時鐘信號控制其讀寫操作，分別為寫時鐘（wrclk）和讀時鐘（rdclk）。一個用來寫數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)存入FIFO；另一個用來讀數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)從FIFO中取出。與 FIFO操作相關(guān)的有兩個指針：寫指針指向要寫的內(nèi)存部分；讀指針指向要讀的內(nèi)存部分。FIFO控制器通過外部的讀寫信號控制這兩個指針移動，并由此產(chǎn)生 FIFO空信號或滿信號。讀寫時鐘相互獨(dú)立設(shè)計，有效地保證了FIFO兩端數(shù)據(jù)的異步通信。
基于ARM的無人機(jī)陀螺儀接口結(jié)構(gòu)
由于機(jī)載燃油和電能儲備的制約，無人機(jī)載設(shè)備要求小巧輕便，能效比高，因此對芯片的選型及電路結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。綜合穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)精度、工作溫度、封裝體積以及能耗等各方面因素，對無人機(jī)陀螺儀傳感器經(jīng)行嚴(yán)格篩選，確定了所示的陀螺儀方案。無人機(jī)陀螺儀的主控芯片選用ARM 32 bit CortexTM M3內(nèi)核的STM32F103T8(＄3.0391)處理器。其內(nèi)建64 KB的閃存存儲器和20 KB的運(yùn)行內(nèi)存，以及7通道的DMA、7個定時器、2個UART端口等。通過板載的8 MHz晶體和STM32內(nèi)部的PLL，控制器可以運(yùn)行在72 MHz的主頻上，為姿態(tài)解算提供強(qiáng)大的硬件支持。
三軸加速度與三軸角速度傳感器采用Invensense公司的MPU-6050(＄4.3178)單芯片方案，此芯片為全球首例整合性6軸運(yùn)動處理組件，相比其他多芯片實(shí)現(xiàn)方案，免除了整合陀螺儀與加速度器軸間差的問題，大大減少了封裝空間。三軸磁力計采用Honeywell公司的HMC5883L(＄1.2500)芯片，此芯片內(nèi)部采用先進(jìn)的高分辨率HMC188X系列磁阻傳感器與行業(yè)領(lǐng)先的各向異性磁阻技術(shù)（AMR），具有軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)，測量范圍從毫高斯到8高斯，穩(wěn)定可靠。氣壓傳感器采用博世公司的BMP180芯片，該芯片性能卓越，絕對精度可以達(dá)到0.03 hpa，并且功耗極低。傳感器采用強(qiáng)大的7 pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，安裝使用方便。各傳感器與ARM處理器采用I2C總線連接，示意圖如圖3所示。
陀螺儀與FIFO及FPGA的連接
處理器采集各傳感器信號，在ARM內(nèi)部進(jìn)行姿態(tài)解算，進(jìn)而得到俯仰角、橫滾角、航向角、氣壓、高度和溫度信息。為了及時將解算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送回地面站，處理器控制寫請求信號wrreq和寫時鐘wrclk將這些數(shù)據(jù)高速寫入FIFO，然后回到飛行控制程序，進(jìn)行下一周期的姿態(tài)解算。FIFO在數(shù)據(jù)寫滿后，寫滿標(biāo)志位 wrfull會置高電平，ARM處理器通過檢測寫滿標(biāo)志位的狀態(tài)來判斷是否繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。與此同時，在FPGA中通過檢測所讀取FIFO是否為空標(biāo)志位 rdempty來判斷是否繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。讀空標(biāo)志位為低電平代表FIFO中有數(shù)據(jù)，可以讀取，則配合讀請求信號rdreq和讀時鐘rdclk及時讀取數(shù)據(jù)，直到將數(shù)據(jù)全部讀出，標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖?，此時FIFO中已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)?；贏RM的陀螺儀與FIFO及FPGA的連接如圖4所示。
TOP5盤點(diǎn)無人機(jī)飛控大腦與MEMS傳感器
制造一個大腦并不容易。大黃蜂的大腦中有100多萬個相互聯(lián)系的神經(jīng)元細(xì)胞，幫助它完成各種意識活動。2014年年末，一個科學(xué)家團(tuán)隊(duì)曾給一個有輪子的樂高機(jī)器人安裝過一個數(shù)字蠕蟲大腦，但是這樣的大腦只有302個神經(jīng)元細(xì)胞。到目前為止，“綠色大腦計劃”團(tuán)隊(duì)只重建了黃蜂大腦中與視覺有關(guān)的部分。但是這樣的成果已經(jīng)非常令人震驚了。無人機(jī)利用視頻攝像頭和人造大腦軟件沿著走廊飛行，飛行模式就和經(jīng)過訓(xùn)練完成同樣任務(wù)的大黃蜂一模一樣?，F(xiàn)在，這個虛擬大腦還只能追蹤位置的移動，而無法識別顏色或形狀?！熬G色大腦計劃”的科學(xué)家希望，過一段時間能夠用數(shù)字重建完整的大黃蜂大腦，并制造出第一臺像大黃蜂一樣自動行動的機(jī)器人。但是現(xiàn)在，他們的重點(diǎn)還放在重建大黃蜂的視覺系統(tǒng)和嗅覺系統(tǒng)。
飛控的大腦：微控制器
在四軸飛行器的飛控主板上，需要用到的芯片并不多。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(fā)送過來的指令，控制四個馬達(dá)帶動槳翼，基本上就可以實(shí)現(xiàn)飛行或懸停的功能。意法半導(dǎo)體高級市場工程師介紹，無人機(jī)/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調(diào)/馬達(dá)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制以及云臺控制等。目前主流的電調(diào)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負(fù)責(zé)人表示： 多軸飛行器由遙控， 飛控，動力系統(tǒng)， 航拍等不同模塊構(gòu)成， 根據(jù)不同等級產(chǎn)品的需求，會采用到不同CPU內(nèi)核。例如小四軸的飛行主控， 因功能單純， 體積小， 必須同時整合遙控接收， 飛行控制及動力驅(qū)動功能；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， 負(fù)責(zé)飛行主控功能，驅(qū)動無刷電機(jī)的電調(diào)（ESC）板則采用MINI5(＄1.0889)系列設(shè)計。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視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應(yīng)用于2.4G及5.8G的航拍系統(tǒng)。在飛控主板上，目前控制和處理用得最多的還是MCU而不是CPU。由于對于飛行控制方面主要都是浮點(diǎn)運(yùn)算，簡單的ARM Cortex-M4內(nèi)核32位MCU都可以很好的滿足。有的傳感器MEMS芯片中已經(jīng)集成了DSP，與之搭配的話，更加簡單的8位單片機(jī)也可以做到。
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CES上展示的Snapdragon Cargo無人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)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。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機(jī)。這款無人機(jī)采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周圍環(huán)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(jī)是與一家德國工業(yè)無人機(jī)廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)置了高達(dá)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(yuǎn)近與傳感器的實(shí)時信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強(qiáng)大功能的無人機(jī)，一是看好無人機(jī)的市場，二是美國即將推出相關(guān)法規(guī)，對無人機(jī)的飛行將有嚴(yán)格的管控。
此外，活躍在在機(jī)器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無人機(jī)領(lǐng)域。XMOS公司市場營銷和業(yè)務(wù)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(jī)/多軸飛行器的OEM客戶采用。在這些系統(tǒng)中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內(nèi)部通信。
Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數(shù)量在8到32個之間的、頻率高達(dá)500MHz 的32位RISC內(nèi)核。xCORE器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實(shí)時I/O性能，同時伴隨很低的延遲?！斑@種多核解決方案支持完全獨(dú)立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實(shí)時性能使得我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時在系統(tǒng)內(nèi)無抖動。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無人機(jī)/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處?！?
多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(jī)（馬達(dá)），用來驅(qū)動無人機(jī)的旋翼。而馬達(dá)驅(qū)動控制器就是用來控制無人機(jī)的速度與方向。原則上一顆馬達(dá)需要配置一顆8位MCU來做控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達(dá)的方案。
多軸無人機(jī)的MEMS傳感
某無人機(jī)方案商總經(jīng)理認(rèn)為，目前業(yè)內(nèi)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(fèi)類產(chǎn)品如平板或手機(jī)上較常用的價格敏感型型號。在專業(yè)航拍以及專為航模發(fā)燒友開發(fā)的中高端無人機(jī)上，則會用到質(zhì)量更為價格更高的傳感器，以保障無人機(jī)更為穩(wěn)定、安全的飛行。這些 MEMS傳感器主要用來實(shí)現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)控制和輔助導(dǎo)航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，是因?yàn)镸EMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機(jī)向相反的方向轉(zhuǎn)動，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)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(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)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(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會帶來較強(qiáng)烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會誤動作，最后給終端用戶的直觀感覺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，可能會造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測試量程，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)到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)實(shí)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(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯誤的角速度。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(shè)計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準(zhǔn)確測量“差?！钡慕撬俣茸兓?。但某些陀螺儀在這種情況下會產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出?！皩τ陲w行器來說，最重要的一點(diǎn)就是安全，無論它的硬件設(shè)計還是軟件設(shè)計，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶體驗(yàn)?！?
隨著無人機(jī)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(jī)上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來開發(fā)出可自動避撞的無人機(jī)，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機(jī)飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無人機(jī)，可以在軟件中設(shè)置接近機(jī)場或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機(jī)起飛。
2025-08-26 13:48
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