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無(wú)人機(jī)整機(jī)
無(wú)人機(jī)配件
無(wú)人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具有人認(rèn)為，無(wú)人機(jī)（UAV）或無(wú)人駕駛飛機(jī)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(yīng)用在很大程度上被無(wú)人機(jī)民主化，具有很大的吸引力和相應(yīng)的高音量。更深?yuàn)W的用途包括農(nóng)業(yè)管理，預(yù)計(jì)其在醫(yī)療應(yīng)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(wú)人機(jī)即服務(wù)'的概念。有關(guān)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(duì)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目，分別使用無(wú)人機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)交付商品和互聯(lián)網(wǎng)連接。
這些新興應(yīng)用將越來(lái)越依賴(lài)自主性，因此，無(wú)人機(jī)可能成為完全融入社會(huì)的第一種真正自動(dòng)駕駛汽車(chē)。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)系統(tǒng)，例如家庭監(jiān)控無(wú)人機(jī)，它可以在檢測(cè)到移動(dòng)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)航建筑物的周邊，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將房屋所見(jiàn)到的信息傳達(dá)給房主。
除了無(wú)人駕駛，無(wú)人機(jī)也不受限制。包含電源，處理和有效負(fù)載的緊湊型系統(tǒng)。為了真正有用，即使在危險(xiǎn)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(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行，但它們將不可避免地需要能夠自己停靠以充電，使它們能夠幾乎無(wú)限期地自主運(yùn)行。這種精確的控制和導(dǎo)航水平正在創(chuàng)造對(duì)新技術(shù)的需求，突出了無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)最重要的兩個(gè)特點(diǎn)：電機(jī)控制和導(dǎo)航。
電子速度控制
作為一個(gè)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)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(lái)描述。ESC與飛行控制器分開(kāi)但仍由其管理是相關(guān)的。這主要是因?yàn)樗且粋€(gè)復(fù)雜的功能，可以從專(zhuān)用解決方案中受益。
ESC負(fù)責(zé)控制每個(gè)電機(jī)的速度，因此每個(gè)電機(jī)通常都有一個(gè)專(zhuān)用的ESC。為了協(xié)調(diào)它們的運(yùn)行，所有的ESC必須能夠直接或間接地通過(guò)飛行控制器相互通信;在典型的無(wú)人機(jī)中，可能會(huì)有四個(gè)ESC和四個(gè)電機(jī)。ESC已經(jīng)成為一個(gè)卓越領(lǐng)域，通常表現(xiàn)為一個(gè)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(lái)越多的ESC解決方案可用。
由于穩(wěn)定性和效率在無(wú)人機(jī)技術(shù)中至關(guān)重要，電動(dòng)機(jī)的控制方式對(duì)無(wú)人機(jī)的操作至關(guān)重要。許多ESC供應(yīng)商采用的方法是磁場(chǎng)定向控制（FOC），一種控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的技術(shù)，并通過(guò)這種技術(shù)來(lái)控制轉(zhuǎn)速。FOC實(shí)施得很好時(shí)，可實(shí)現(xiàn)加速度的快速變化而不會(huì)引入不穩(wěn)定性，允許無(wú)人駕駛飛機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)最大限度地提高效率。在FOC中快速計(jì)算驅(qū)動(dòng)矢量是至關(guān)重要的，這就是為什么它已成為一般針對(duì)電機(jī)控制，特別是針對(duì)ESC的微控制器供應(yīng)商的重點(diǎn)。
無(wú)人機(jī)最受青睞的無(wú)刷直流電機(jī)是由于其體積小，成本低廉，經(jīng)久耐用。為了進(jìn)一步降低材料成本，無(wú)人機(jī)制造商通常會(huì)采用無(wú)傳感器拓?fù)?也就是說(shuō)，電機(jī)的位置是通過(guò)監(jiān)控電機(jī)的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來(lái)確定的。通過(guò)FOC算法對(duì)無(wú)傳感器BLDC電機(jī)的控制非常復(fù)雜，這也是為什么交鑰匙解決方案已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)在領(lǐng)先的微控制器制造商身上的另一個(gè)原因。
其中一個(gè)例子是意法半導(dǎo)體的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器（ESC），該器件將意法半導(dǎo)體的STM32F303CBT7微控制器和電機(jī)控制SDK與其L6398驅(qū)動(dòng)器和STL160NS3LLH7功率MOSFET集成在一起。它們一起形成一個(gè)完整的解決方案，用于驅(qū)動(dòng)單相三相無(wú)刷電機(jī)，無(wú)論是使用無(wú)傳感器FOC算法的BLDC或PMSM（永磁同步電機(jī)）。功率MOSFET是N溝道30 V，160 A STripFET H7器件。該設(shè)計(jì)可以提供20 A的最大RMS電流，這足以驅(qū)動(dòng)專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)中使用的電機(jī)。圖1顯示了該解決方案的框圖。
意法半導(dǎo)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(shí)施還可在減速期間提供主動(dòng)制動(dòng)和能量恢復(fù)。
圖1：基于面向場(chǎng)控制的意法半導(dǎo)體STEVAL-ESC001V1電子速度控制解決方案框圖，該解決方案是為無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的。
圖2（上側(cè)）和圖3（下側(cè)）中顯示了測(cè)量略小于30 mm×60 mm的組裝板，突出顯示了關(guān)鍵功能組件。
圖2：STEVAL-ESC001V1（頂部）。
圖3：STEVAL-ESC001V1（底部）。
評(píng)估板使用ST-Link / V2編程器進(jìn)行編程，可以使用ST電機(jī)控制工作臺(tái)配置固件（有關(guān)使用MC工作臺(tái)的簡(jiǎn)短視頻介紹）。使用該軟件和評(píng)估板，工程師可以分析電機(jī)并編譯驅(qū)動(dòng)該電機(jī)所需的固件。當(dāng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)每相的信號(hào)由電路板計(jì)算并應(yīng)用時(shí)，將使用PWM信號(hào)來(lái)設(shè)置電機(jī)的速度。如圖4所示，1060μs和1860μs之間的脈沖分別用于將電機(jī)速度設(shè)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(jī)速度的PWM信號(hào)。
ESC參考設(shè)計(jì)
對(duì)于許多半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)，電機(jī)控制一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)越來(lái)越重要的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是那些具有強(qiáng)大微控制器產(chǎn)品組合的應(yīng)用領(lǐng)域。這包括德州儀器，該公司開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了FOC解決方案，該解決方案預(yù)先安裝在部分PiccoloMCU的ROM中，并可通過(guò)API訪(fǎng)問(wèn)。
如果沒(méi)有傳感器來(lái)提供有關(guān)電機(jī)位置的反饋，則選擇是以開(kāi)環(huán)配置運(yùn)行電機(jī)，還是使用其他形式的反饋。應(yīng)該注意的是，閉環(huán)配置提供了更好的控制并且導(dǎo)致更好的整體性能。為閉環(huán)運(yùn)行提供必要的反饋信息屬于專(zhuān)用固件功能，稱(chēng)為觀(guān)察器，該功能利用電機(jī)繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)其位置。出于這個(gè)原因，固件也被稱(chēng)為估算器。
在TI的解決方案中，估算器固件被稱(chēng)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(jī)軟件編碼器，能夠與一系列電機(jī)配合使用，包括同步和異步直流和交流電機(jī)。FOC轉(zhuǎn)矩控制器軟件InstaSPIN-FOC作為T(mén)I MotorWare軟件包的一部分，免費(fèi)使用，免費(fèi)下載解決方案。但是，該解決方案的FAST部分是專(zhuān)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(wú)人機(jī)ESC的高速無(wú)傳感器FOC參考設(shè)計(jì)為評(píng)估InstaSPIN技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單的方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPadLAUNCHXL-F28069M開(kāi)發(fā)板（圖5）和DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BoosterPack評(píng)估模塊（圖6）。
圖5：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開(kāi)發(fā)板。
圖6：DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BoosterPack評(píng)估模塊。
在這樣一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域中，性能與易用性相匹配通常可以成為選擇特定解決方案的非常有說(shuō)服力的理由，在這方面，TI已盡一切努力在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。例如，控制算法需要了解與受控電機(jī)相關(guān)的某些參數(shù)，但TI認(rèn)為其解決方案需要提供更少的電機(jī)參數(shù)，以至于無(wú)需數(shù)據(jù)表。此外，一旦電機(jī)被識(shí)別出來(lái)，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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在這里，TI表示其解決方案可以在一個(gè)電氣周期內(nèi)開(kāi)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(zhǔn)確的，并且可能在高頻時(shí)受到損害。這些優(yōu)勢(shì)還意味著TI的解決方案可以在啟動(dòng)時(shí)提供100％的扭矩，并在零速下完全穩(wěn)定。
這些開(kāi)發(fā)平臺(tái)和交鑰匙解決方案的可用性意味著現(xiàn)在更容易開(kāi)始無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)。TI表示，其解決方案可以在兩分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行，突出了FOC解決方案在很短時(shí)間內(nèi)的成熟程度。然而，導(dǎo)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?yàn)楦鞣N無(wú)人駕駛車(chē)輛提供全自主導(dǎo)航。
差分GNSS
導(dǎo)航主要由一件事情復(fù)雜化：障礙。沒(méi)有任何障礙可以避免，汽車(chē)已經(jīng)是自動(dòng)駕駛的，但事實(shí)上從A點(diǎn)到B點(diǎn)會(huì)更簡(jiǎn)單，如果它是一條沒(méi)有任何間隔的直線(xiàn)。幸運(yùn)的是，在天空中，情況往往如此。出于這個(gè)原因，自主無(wú)人機(jī)很可能早于平時(shí)。當(dāng)然，仍然有必要考慮碰撞檢測(cè)和避免技術(shù)，但總的來(lái)說(shuō)，飛行的物體比那些沒(méi)有飛行的物體有很大的優(yōu)勢(shì)。
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的使用現(xiàn)在與導(dǎo)航同義，當(dāng)與地圖軟件一起使用時(shí)，它成為一個(gè)強(qiáng)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?xún)?nèi)，而非自動(dòng)無(wú)人駕駛飛機(jī)本身可能測(cè)量的距離不到一米的厘米數(shù)。對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)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(duì)于新興的無(wú)人機(jī)應(yīng)用，例如貨物交付，需要更高的準(zhǔn)確性。
如果沒(méi)有支持這種準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)設(shè)施，自主設(shè)備將依靠機(jī)器視覺(jué)來(lái)幫助他們駕馭真實(shí)世界。然而，新興的解決方案提供了適合某些應(yīng)用的精確度級(jí)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(lái)改進(jìn)和校正由移動(dòng)物體（被稱(chēng)為漫游者）導(dǎo)出的定位數(shù)據(jù)。
該技術(shù)被稱(chēng)為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK），并由無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)海事服務(wù)組織（RTCM）定義的國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋。它依賴(lài)于基站和流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)通信信道，最常用于高端測(cè)量設(shè)備。然而，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在定位為大眾市場(chǎng)解決方案的模塊中提供。一個(gè)例子是來(lái)自u(píng)-blox的GNSS定位模塊，包括NEO-M8P-0和NEO-M8P-2模塊，分別為流動(dòng)站和基站設(shè)計(jì)。
該公司表示，這些模塊的設(shè)計(jì)一般可滿(mǎn)足無(wú)人駕駛車(chē)輛的需求，但其中包含的功能特別適合無(wú)人機(jī)，例如移動(dòng)基準(zhǔn)線(xiàn)模式;這一功能使基站能夠像漫游車(chē)一樣移動(dòng)。例如，這可能與送貨無(wú)人機(jī)相關(guān)，該無(wú)人機(jī)從服務(wù)于鄰近地區(qū)的更大，更傳統(tǒng)的運(yùn)載工具啟動(dòng)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(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)兼容，并且可以同時(shí)使用GPS和GLONASS或北斗，從而為首次修復(fù)提供更快的時(shí)間。但是，u-blox指出，如果RTK更新速率很關(guān)鍵，那么它們只能用于GPS模式。圖7說(shuō)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(dòng)站提供RTCM 3消息流（參考站參數(shù)）。然后，流動(dòng)站必須解決載波相位模糊問(wèn)題，此時(shí)它可以進(jìn)入RTK固定模式并開(kāi)始實(shí)現(xiàn)厘米精度的定位數(shù)據(jù)。根據(jù)u-blox的說(shuō)法，這個(gè)過(guò)程通常不到60秒，被稱(chēng)為收斂時(shí)間。當(dāng)接收器能夠看到至少六顆持續(xù)鎖相的衛(wèi)星時(shí)，漫游車(chē)將僅進(jìn)入RTK固定模式;如果與GLONASS系統(tǒng)同時(shí)工作，則至少需要來(lái)自第二個(gè)系統(tǒng)的兩顆衛(wèi)星可見(jiàn)，而隨著北斗，這個(gè)衛(wèi)星將增加到三個(gè)。
在RTK模式下操作時(shí)，流動(dòng)站的位置將相對(duì)于基站位置進(jìn)行報(bào)告。因此，漫游車(chē)的絕對(duì)位置將參考基站的絕對(duì)位置，以及漫游車(chē)相對(duì)于它的位置。這也與無(wú)人機(jī)需要返回充電站以便對(duì)其電池充電的應(yīng)用有關(guān)。當(dāng)基站在移動(dòng)基線(xiàn)模式下工作時(shí)，其絕對(duì)位置不再固定。但是，漫游者仍然可以保持厘米相對(duì)于它的精確定位，例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)以“跟隨我”模式操作時(shí)，漫游者可以適用。隨著DGNSS定位的引入，完全自主的無(wú)人機(jī)概念確實(shí)開(kāi)始形成。
結(jié)論
自主性和穩(wěn)定性將成為未來(lái)無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵特征。隨著諸如基于FOC的電機(jī)控制和DGNSS等技術(shù)變得更加整合，無(wú)人機(jī)的快速和持續(xù)發(fā)展得到了保證。這些預(yù)集成解決方案的可用性使得開(kāi)發(fā)先進(jìn)無(wú)人機(jī)的過(guò)程變得更簡(jiǎn)單，為渴望利用令人興奮的新可能性的OEM提供了機(jī)會(huì)。
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