盤(pán)點(diǎn)無(wú)人機飛控大腦與MEMS傳感器

制造一個(gè)大腦并不容易。大黃蜂的大腦中有100多萬(wàn)個(gè)相互聯(lián)系的神經(jīng)元細胞，幫助它完成各種意識活動(dòng)。2014年年末，一個(gè)科學(xué)家團隊曾給一個(gè)有輪子的樂(lè )高機器人安裝過(guò)一個(gè)數字蠕蟲(chóng)大腦，但是這樣的大腦只有302個(gè)神經(jīng)元細胞。到目前為止，“綠色大腦計劃”團隊只重建了黃蜂大腦中與視覺(jué)有關(guān)的部分。但是這樣的成果已經(jīng)非常令人震驚了。無(wú)人機利用視頻攝像頭和人造大腦軟件沿著(zhù)走廊飛行，飛行模式就和經(jīng)過(guò)訓練完成同樣任務(wù)的大黃蜂一模一樣?，F在，這個(gè)虛擬大腦還只能追蹤位置的移動(dòng)，而無(wú)法識別顏色或形狀。“綠色大腦計劃”的科學(xué)家希望，過(guò)一段時(shí)間能夠用數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(dòng)行動(dòng)的機器人。但是現在，他們的重點(diǎn)還放在重建大黃蜂的視覺(jué)系統和嗅覺(jué)系統。

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(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)馬達帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)現飛行或懸停的功能。意法半導體高級市場(chǎng)工程師介紹，無(wú)人機/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/馬達控制、飛機姿態(tài)控制以及云臺控制等。目前主流的電調控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

新唐的MCU負責人表示： 多軸飛行器由遙控， 飛控，動(dòng)力系統， 航拍等不同模塊構成， 根據不同等級產(chǎn)品的需求，會(huì )采用到不同CPU內核。例如小四軸的飛行主控， 因功能單純， 體積小， 必須同時(shí)整合遙控接收， 飛行控制及動(dòng)力驅動(dòng)功能;中高階多軸飛行器則采用內建 DSP 及浮點(diǎn)運算單元的， 負責飛行主控功能，驅動(dòng)無(wú)刷電機的電調(ESC)板則采用MINI5($1.0889)系列設計。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， 內建ARM9及H.264視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應用于2.4G及5.8G的航拍系統。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)運算，簡(jiǎn)單的ARM Cortex-M4內核32位MCU都可以很好的滿(mǎn)足。有的傳感器MEMS芯片中已經(jīng)集成了DSP，與之搭配的話(huà)，更加簡(jiǎn)單的8位單片機也可以做到。

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(wú)人機是基于高通Snapdragon芯片開(kāi)發(fā)出來(lái)的飛行控制器，它有無(wú)線(xiàn)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(wú)人機。這款無(wú)人機采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周?chē)h(huán)境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動(dòng)避免障礙物。英特爾的無(wú)人機是與一家德國工業(yè)無(wú)人機廠(chǎng)商Ascending Technologies合作開(kāi)發(fā)，內置了高達6個(gè)英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(dòng)(Atom)處理器的PCI- express定制卡，來(lái)處理距離遠近與傳感器的實(shí)時(shí)信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強大功能的無(wú)人機，一是看好無(wú)人機的市場(chǎng)，二是美國即將推出相關(guān)法規，對無(wú)人機的飛行將有嚴格的管控。

此外，活躍在在機器人市場(chǎng)的歐洲處理器廠(chǎng)商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無(wú)人機領(lǐng)域。XMOS公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)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(wú)人機/多軸飛行器的OEM客戶(hù)采用。在這些系統中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內部通信。

Paul Neil說(shuō)：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個(gè)之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。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(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨立地執行系統控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)開(kāi)銷(xiāo)。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得我們的客戶(hù)能夠實(shí)現非常精確的控制算法，同時(shí)在系統內無(wú)抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無(wú)人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應用用戶(hù)的關(guān)鍵之處。”

多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷電機(馬達)，用來(lái)驅動(dòng)無(wú)人機的旋翼。而馬達驅動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位MCU來(lái)做控制，但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達的方案。

多軸無(wú)人機的MEMS傳感

某無(wú)人機方案商總經(jīng)理認為，目前業(yè)內的玩具級飛行器，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類(lèi)產(chǎn)品如平板或手機上較常用的價(jià)格敏感型型號。在專(zhuān)業(yè)航拍以及專(zhuān)為航模發(fā)燒友開(kāi)發(fā)的中高端無(wú)人機上，則會(huì )用到質(zhì)量更為價(jià)格更高的傳感器，以保障無(wú)人機更為穩定、安全的飛行。這些 MEMS傳感器主要用來(lái)實(shí)現飛行器的平穩控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過(guò)程中的俯仰角和滾轉角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉動(dòng)，進(jìn)而達到穩定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統。

ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(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角速度變化，但實(shí)際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會(huì )帶來(lái)較強烈的振動(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，那勢必會(huì )帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達就會(huì )誤動(dòng)作，最后給終端用戶(hù)的直觀(guān)感覺(jué)就是飛行器并不平穩。