無人機控制模塊的硬件方案綜述

謝晴晴

(北京市大興區第一中學,北京 102600)

無人機的概念可定義為利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱,或由車載計算機等地面站完全或間歇地自主操作的“空中機器人”[1]。當今,無人機技術高速發展并廣泛應用于民用領域。鑒于其可以規避人體健康問題,便于執行危險、污染等惡劣環境下的任務,并且反應迅速,能傳輸實時影像等優點,無人機不僅大程度應用于植保、電力和油氣管道巡檢等用途,還受到京東物流、順豐快遞等物流企業的青睞。無人機的發展迅速,且潛力巨大,一旦市場成熟將更具有競爭力。然而,隨著技術的提高,無人機對自身結構、功能、硬件模塊的要求也日益增高。本文將重點分析無人機的核心——控制模塊的硬件方案,對無人機的進一步研究提供一定的技術參考。

1 無人機的基本構造及控制模塊的關鍵性

無人機是自動化專業極具代表性的新時代終端產品,融合了傳感器技術、信息處理技術、通信技術和智能控制技術等前沿科技。完整的無人機系統一般由飛行器平臺、機載任務設備和地面系統三大部分構成。其中,飛行器平臺由機體、飛控、導航、電氣、動力和通信系統等構成;機載任務設備一般包括任務傳感器、攝像系統或其它各類行業設備等;地面系統則包括起降裝置、地面控制站以及檢測保障設備等[2]。

從產品角度來說,一臺完整的無人機包括機架、螺旋槳、飛行控制系統、電機和遙控模塊等幾大部分。其中,飛控系統為無人機自主調整姿態、平穩飛行、執行特定任務的核心控制裝置,也是區別于普通航空模型的重要標志。飛控模塊的主要功能為：利用慣性測量單元(IM U)獲得的自身系統的實時加速度等原始數據,算出當前系統姿態,通過無線模塊接收的控制信號得到希望達到的目標姿態,再根據目標姿態和當前姿態的差值調整飛行器飛行的一系列復雜操作。其核心思想在于縮小當前姿態和目標姿態之間的差值,即P I D控制算法。在無人機的飛行過程中,其姿態的調整就是通過飛控模塊的不斷調節所實現的。因此,飛行控制系統的優劣,直接決定了無人機的飛行品質和運行穩定性。

無人機現已廣泛應用于大型賽事的航拍,但其安全性問題卻依然屢屢發生,在某中學運動會上就曾發生航拍無人機“炸機”事件,導致兩人受傷,其中一人眼角膜脫落傷勢嚴重,因此控制系統的改良和發展刻不容緩。

2 三大前沿的硬件方案

2.1 意法半導體STM32系列

意法半導體S T M 32系列是目前國內廣泛采用的無人機主控芯片,其當前主流產品STM32F4在無人機中應用較為廣泛,大疆精靈系列產品的飛控芯片就采用了S7M32F4芯片。基于S T M 32設計的四軸飛行器,采用了動態功耗調整功能,通過閃存執行時的電流消耗也大為降低,擁有與普通飛行器相比結構簡單、故障率低和單位體積能夠產生更大升力的優點,具有很大應用前景[3]。

2.2 高通驍龍無人機平臺

“驍龍Flight”是一款專門針對消費級無人機和機器人應用而設計的高度優化的開發板。支持G P S、4 K視頻拍攝,具有強勁的連接性,支持雙通道Wi-Fi和藍牙模塊、實時飛行控制系統、快速充電技術。其優勢在于將攝影,導航和通信技術集合在一個緊湊而高效的封裝中,有助于減少使用該開發板的無人機尺寸、重量和功耗,從而支持更長的飛行時間,具有較高的安全性和易于使用的外形尺寸。此外,驍龍Flight平臺具有先進的處理能力、經過優化的全球導航衛星系統和尖端的移動技術。驍龍飛行平臺應用了高通技術強大的計算機視覺專業技術,可用于無人機自動避障,智能跟蹤人或物體,從而實現無人機移動跟拍等新形式的航拍功能。

2.3 英特爾無人機硬件方案

英特爾作為芯片商中的龍頭企業,同樣開發了獨具特色的無人機平臺“Ready to fly”,該平臺以英特爾實感技術為創新點。近兩年英特爾主打的RealSense實感技術在體感游戲等領域被廣泛應用,其在無人機上的應用可以說是智能無人機發展的另一個突破。無人機實感技術的硬件方案主要通過3 D攝像頭實現。3 D攝像頭分為兩種,一種是用于近距離拍攝且精度較高的前置3 D攝像頭,運用了“結構光”原理;另一種為遠距離攝像頭,使用“主動立體成像原理”,模仿人眼的“視差”原理,通過打出一束紅外光,以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置,然后用三角定位原理來計算出3D圖像中的“深度”信息[4],從而實現較遠距離的目標識別。

3 發展趨勢和技術挑戰

3.1 控制模塊的硬件研發方向

通過總結目前控制模塊的硬件方案,本文將其研發方向總結為以下三點：

(1)小型化。現在芯片工藝追求更高精度,更小體積。例如英特爾14nm級芯片和高通公司用于無人機的801系列芯片,芯片上的組件排布極其緊密,不僅縮小體積便于安裝、攜帶,還大大減少了功耗,在無人機的設計制造中備受歡迎。

(2)高速化。為適應各種特定功能,無人機控制模塊的運算速度和計算能力都必須不斷提高,因此對硬件芯片的主頻的要求就越來越高。高速化是硬件方案的一必要發展趨勢,對實現無人機的實時控制、自動避障等功能至關重要。

(3)高集成度。高集成度是指把更多的外設集成到一塊開發板上,在豐富功能的同時最大化地降低空間成本和功耗,更便捷,更高效。

3.2 面臨的技術挑戰

技術要求的提高帶來了更多的技術挑戰。芯片的小型化使芯片表面積減小,不易散熱,造成工作運行受阻,所以芯片體積和散熱之間的合理配置需進一步探究。另一方面,在追求小型化基礎上還需對芯片組件進行更加精密的改良。為執行更多復雜任務,在多核,多線程,同時執行多個任務時,內存的消耗會增加,并且需要內存數據的同步。此外,芯片的控制運行需要進行數據共享,多核間應可通信,而該方面的硬件方案以及無人機的并行控制方案尚不完備。

4 結語

無人機的發展在很大程度上受限于飛控系統的硬件升級,因此,對無人機控制模塊的硬件方案要求也會越來越高,本文從幾大芯片商的產品出發,著重介紹了硬件方面的幾個前沿技術。目前,民用無人機處于高速發展的黃金時期,隨著技術的不斷發展,無人機所引領的“智能科技”將逐漸涉及更多領域,更加貼近人們的生活。

[1] 陶于金,李沛峰.無人機系統發展與關鍵技術綜述[J].航空制造技術,2014, 464(20)：34-39.

[2] 裴錦華.民用無人機產業發展動態及其在網絡通信領域中的應用[J].電信工程技術與標準化, 2017, 30(4)：1-6.

[3] 錢昊,許森, 陳友榮. 基于STM32F103的四旋翼無人機控制器設計[J].浙江樹人大學學報：自然科學版,2016(4)：6-10.

[4] 張西忱.無人機的避障技術及其應用[J].集成電路應用,2017,34(2)：66-68.