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設備與工具有人認為，無人機（UAV）或無人駕駛飛機的商業(yè)重要性可能與互聯(lián)網(wǎng)一樣重要。諸如空中攝影和錄像等高性能應用在很大程度上被無人機民主化，具有很大的吸引力和相應的高音量。更深奧的用途包括農(nóng)業(yè)管理，預計其在醫(yī)療應用中的使用將增加。
由于為企業(yè)提供交鑰匙解決方案的公司已經(jīng)出現(xiàn)了'無人機即服務'的概念。有關立法的澄清有助于幫助而不是阻礙蓬勃發(fā)展的行業(yè)，盡管對整體有效載荷有所限制，但其優(yōu)越性幾乎都得到了保證。亞馬遜和Facebook等大型組織正在積極開發(fā)項目，分別使用無人機在偏遠地區(qū)交付商品和互聯(lián)網(wǎng)連接。
這些新興應用將越來越依賴自主性，因此，無人機可能成為完全融入社會的第一種真正自動駕駛汽車。這是一個活躍的研究領域，已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)系統(tǒng)，例如家庭監(jiān)控無人機，它可以在檢測到移動時自動導航建筑物的周邊，并通過互聯(lián)網(wǎng)將房屋所見到的信息傳達給房主。
除了無人駕駛，無人機也不受限制。包含電源，處理和有效負載的緊湊型系統(tǒng)。為了真正有用，即使在危險和易變的天氣條件下，它們也需要保持穩(wěn)定和高效。盡管一次充電可以盡可能長時間地運行，但它們將不可避免地需要能夠自己?？恳猿潆?，使它們能夠幾乎無限期地自主運行。這種精確的控制和導航水平正在創(chuàng)造對新技術的需求，突出了無人機開發(fā)最重要的兩個特點：電機控制和導航。
電子速度控制
作為一個系統(tǒng)，無人機可以用包括飛行控制器，電子速度控制器（ESC），電池和有效載荷的功能元素來描述。ESC與飛行控制器分開但仍由其管理是相關的。這主要是因為它是一個復雜的功能，可以從專用解決方案中受益。
ESC負責控制每個電機的速度，因此每個電機通常都有一個專用的ESC。為了協(xié)調(diào)它們的運行，所有的ESC必須能夠直接或間接地通過飛行控制器相互通信;在典型的無人機中，可能會有四個ESC和四個電機。ESC已經(jīng)成為一個卓越領域，通常表現(xiàn)為一個可以輕松集成的完整子系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有一小部分但越來越多的ESC解決方案可用。
由于穩(wěn)定性和效率在無人機技術中至關重要，電動機的控制方式對無人機的操作至關重要。許多ESC供應商采用的方法是磁場定向控制（FOC），一種控制電機轉(zhuǎn)矩的技術，并通過這種技術來控制轉(zhuǎn)速。FOC實施得很好時，可實現(xiàn)加速度的快速變化而不會引入不穩(wěn)定性，允許無人駕駛飛機執(zhí)行復雜的機動動作，同時最大限度地提高效率。在FOC中快速計算驅(qū)動矢量是至關重要的，這就是為什么它已成為一般針對電機控制，特別是針對ESC的微控制器供應商的重點。
無人機最受青睞的無刷直流電機是由于其體積小，成本低廉，經(jīng)久耐用。為了進一步降低材料成本，無人機制造商通常會采用無傳感器拓撲;也就是說，電機的位置是通過監(jiān)控電機的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來確定的。通過FOC算法對無傳感器BLDC電機的控制非常復雜，這也是為什么交鑰匙解決方案已經(jīng)開始出現(xiàn)在領先的微控制器制造商身上的另一個原因。
其中一個例子是意法半導體的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器（ESC），該器件將意法半導體的STM32F303CBT7微控制器和電機控制SDK與其L6398驅(qū)動器和STL160NS3LLH7功率MOSFET集成在一起。它們一起形成一個完整的解決方案，用于驅(qū)動單相三相無刷電機，無論是使用無傳感器FOC算法的BLDC或PMSM（永磁同步電機）。功率MOSFET是N溝道30 V，160 A STripFET H7器件。該設計可以提供20 A的最大RMS電流，這足以驅(qū)動專業(yè)無人機中使用的電機。圖1顯示了該解決方案的框圖。
意法半導體指出，F(xiàn)OC的使用，而不是像某些ESC所使用的梯形控制算法，可提供更好的轉(zhuǎn)矩控制，而其提供的實施還可在減速期間提供主動制動和能量恢復。
圖1：基于面向場控制的意法半導體STEVAL-ESC001V1電子速度控制解決方案框圖，該解決方案是為無人機開發(fā)的。
圖2（上側）和圖3（下側）中顯示了測量略小于30 mm×60 mm的組裝板，突出顯示了關鍵功能組件。
圖2：STEVAL-ESC001V1（頂部）。
圖3：STEVAL-ESC001V1（底部）。
評估板使用ST-Link / V2編程器進行編程，可以使用ST電機控制工作臺配置固件（有關使用MC工作臺的簡短視頻介紹）。使用該軟件和評估板，工程師可以分析電機并編譯驅(qū)動該電機所需的固件。當用于驅(qū)動電機每相的信號由電路板計算并應用時，將使用PWM信號來設置電機的速度。如圖4所示，1060μs和1860μs之間的脈沖分別用于將電機速度設置為最小值和最大值之間。
圖4：用于調(diào)節(jié)由STEVAL-ESC001V1控制的電機速度的PWM信號。
ESC參考設計
對于許多半導體制造商來說，電機控制一般來說是一個越來越重要的應用領域，尤其是那些具有強大微控制器產(chǎn)品組合的應用領域。這包括德州儀器，該公司開發(fā)并實現(xiàn)了FOC解決方案，該解決方案預先安裝在部分PiccoloMCU的ROM中，并可通過API訪問。
如果沒有傳感器來提供有關電機位置的反饋，則選擇是以開環(huán)配置運行電機，還是使用其他形式的反饋。應該注意的是，閉環(huán)配置提供了更好的控制并且導致更好的整體性能。為閉環(huán)運行提供必要的反饋信息屬于專用固件功能，稱為觀察器，該功能利用電機繞組中產(chǎn)生的反電動勢來估計其位置。出于這個原因，固件也被稱為估算器。
在TI的解決方案中，估算器固件被稱為InstaSPIN-FAST，它代表流量，角度，速度和扭矩。FAST被描述為通用三相電機軟件編碼器，能夠與一系列電機配合使用，包括同步和異步直流和交流電機。FOC轉(zhuǎn)矩控制器軟件InstaSPIN-FOC作為TI MotorWare軟件包的一部分，免費使用，免費下載解決方案。但是，該解決方案的FAST部分是專有的，僅在支持的MCU中作為基于ROM的代碼提供;而InstaSPIN-FOC可以從RAM或Flash執(zhí)行，F(xiàn)AST算法必須始終從ROM執(zhí)行。
德州儀器的無人機ESC的高速無傳感器FOC參考設計為評估InstaSPIN技術提供了一種簡單的方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPadLAUNCHXL-F28069M開發(fā)板（圖5）和DRV8305EVM三相電機驅(qū)動器BoosterPack評估模塊（圖6）。
圖5：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開發(fā)板。
圖6：DRV8305EVM三相電機驅(qū)動器BoosterPack評估模塊。
在這樣一個競爭激烈的領域中，性能與易用性相匹配通?？梢猿蔀檫x擇特定解決方案的非常有說服力的理由，在這方面，TI已盡一切努力在競爭中脫穎而出。例如，控制算法需要了解與受控電機相關的某些參數(shù)，但TI認為其解決方案需要提供更少的電機參數(shù)，以至于無需數(shù)據(jù)表。此外，一旦電機被識別出來，InstaSPIN-FOC和FAST解決方案就不需要調(diào)整，不像大多數(shù)其他解決方案。
估算器工作的精度是另一個關鍵參數(shù)，在這里，TI表示其解決方案可以在一個電氣周期內(nèi)開始追蹤，并且可以保持低于1 Hz的精度;其他解決方案通常僅在5赫茲以上的頻率上才是準確的，并且可能在高頻時受到損害。這些優(yōu)勢還意味著TI的解決方案可以在啟動時提供100％的扭矩，并在零速下完全穩(wěn)定。
這些開發(fā)平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現(xiàn)在更容易開始無人機設計。TI表示，其解決方案可以在兩分鐘內(nèi)啟動并運行，突出了FOC解決方案在很短時間內(nèi)的成熟程度。然而，導航并非一定如此，但它正在迅速發(fā)展，不可避免的是，不久將有解決方案能夠為各種無人駕駛車輛提供全自主導航。
差分GNSS
導航主要由一件事情復雜化：障礙。沒有任何障礙可以避免，汽車已經(jīng)是自動駕駛的，但事實上從A點到B點會更簡單，如果它是一條沒有任何間隔的直線。幸運的是，在天空中，情況往往如此。出于這個原因，自主無人機很可能早于平時。當然，仍然有必要考慮碰撞檢測和避免技術，但總的來說，飛行的物體比那些沒有飛行的物體有很大的優(yōu)勢。
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的使用現(xiàn)在與導航同義，當與地圖軟件一起使用時，它成為一個強大的組合。然而，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的精確度僅在米以內(nèi)，而非自動無人駕駛飛機本身可能測量的距離不到一米的厘米數(shù)。對于某些應用場合，例如檢查大型露天區(qū)域或數(shù)公里的地面油管，這可能是可以接受的。對于新興的無人機應用，例如貨物交付，需要更高的準確性。
如果沒有支持這種準確度的基礎設施，自主設備將依靠機器視覺來幫助他們駕馭真實世界。然而，新興的解決方案提供了適合某些應用的精確度級別。他們采用差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（DGNSS），該系統(tǒng)使用基站提供的校正數(shù)據(jù)來改進和校正由移動物體（被稱為漫游者）導出的定位數(shù)據(jù)。
該技術被稱為實時運動學（RTK），并由無線電技術委員會海事服務組織（RTCM）定義的國際公認標準涵蓋。它依賴于基站和流動站之間的實時通信信道，最常用于高端測量設備。然而，這項技術已經(jīng)開始在定位為大眾市場解決方案的模塊中提供。一個例子是來自u-blox的GNSS定位模塊，包括NEO-M8P-0和NEO-M8P-2模塊，分別為流動站和基站設計。
該公司表示，這些模塊的設計一般可滿足無人駕駛車輛的需求，但其中包含的功能特別適合無人機，例如移動基準線模式;這一功能使基站能夠像漫游車一樣移動。例如，這可能與送貨無人機相關，該無人機從服務于鄰近地區(qū)的更大，更傳統(tǒng)的運載工具啟動并返回。
這些模塊基于u-blox M8 GNSS接收器，該接收器與GPS，GLONASS和北斗衛(wèi)星導航網(wǎng)絡兼容，并且可以同時使用GPS和GLONASS或北斗，從而為首次修復提供更快的時間。但是，u-blox指出，如果RTK更新速率很關鍵，那么它們只能用于GPS模式。圖7說明了這些模塊如何操作。
圖7：使用u-blox NEO-M8P模塊創(chuàng)建厘米精度定位的DGNSS解決方案。
基站為流動站提供RTCM 3消息流（參考站參數(shù)）。然后，流動站必須解決載波相位模糊問題，此時它可以進入RTK固定模式并開始實現(xiàn)厘米精度的定位數(shù)據(jù)。根據(jù)u-blox的說法，這個過程通常不到60秒，被稱為收斂時間。當接收器能夠看到至少六顆持續(xù)鎖相的衛(wèi)星時，漫游車將僅進入RTK固定模式;如果與GLONASS系統(tǒng)同時工作，則至少需要來自第二個系統(tǒng)的兩顆衛(wèi)星可見，而隨著北斗，這個衛(wèi)星將增加到三個。
在RTK模式下操作時，流動站的位置將相對于基站位置進行報告。因此，漫游車的絕對位置將參考基站的絕對位置，以及漫游車相對于它的位置。這也與無人機需要返回充電站以便對其電池充電的應用有關。當基站在移動基線模式下工作時，其絕對位置不再固定。但是，漫游者仍然可以保持厘米相對于它的精確定位，例如，當無人機以“跟隨我”模式操作時，漫游者可以適用。隨著DGNSS定位的引入，完全自主的無人機概念確實開始形成。
結論
自主性和穩(wěn)定性將成為未來無人機的關鍵特征。隨著諸如基于FOC的電機控制和DGNSS等技術變得更加整合，無人機的快速和持續(xù)發(fā)展得到了保證。這些預集成解決方案的可用性使得開發(fā)先進無人機的過程變得更簡單，為渴望利用令人興奮的新可能性的OEM提供了機會。
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