多軸飛行器無(wú)人機硬體技術(shù)揭密

　　趙延輝說(shuō)：“對于飛行器來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是安全，無(wú)論是硬體設計還是軟體設計，都要先確保安全，而后才是極致的用戶(hù)體驗。ADI的MEMS感測器設計首先是保證在各種極端條件下的穩定性，然后再追求極致的指標。根據客戶(hù)實(shí)測回饋，在飛行器錯誤作業(yè)，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會(huì )受任何影響，而其它某些陀螺儀會(huì )出現非常大零點(diǎn)偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后，也不會(huì )產(chǎn)生任何可靠性問(wèn)題，而其它某些加速度計則會(huì )以很大機率出現完全無(wú)輸出的現象。這些用戶(hù)實(shí)測出來(lái)的差異，都得益于A(yíng)DI MEMS感測器在設計時(shí)對各種極端情況的充分考慮。”

　　“未來(lái)飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì )朝整合化方向發(fā)展，如3軸加速度加上3軸陀螺儀的整合式產(chǎn)品，甚至是SoC，把處理器也整合進(jìn)去，直接提供角度輸出供后端處理器調用。由于飛行器的應用場(chǎng)景一般都是戶(hù)外，客戶(hù)勢必會(huì )做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠(chǎng)前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的感測器，都會(huì )是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。”

　　陳一民認為，隨著(zhù)無(wú)人機的功能不斷增加，越來(lái)越多的GPS感測器、紅外線(xiàn)感測器、氣壓感測器、超音波感測器被應用于無(wú)人機。方案供應商已經(jīng)在利用紅外線(xiàn)和超音波感測器來(lái)開(kāi)發(fā)可自動(dòng)避撞的無(wú)人機，以滿(mǎn)足將來(lái)相關(guān)法規的要求。整合GPS感測器的無(wú)人機則可實(shí)現一鍵返航功能，防止無(wú)人機飛行丟失。而內建GPS功能的無(wú)人機可以在軟體中設置接近機場(chǎng)或航空限制的警示，避免誤入管制區域。

　　無(wú)線(xiàn)控制與視訊傳輸

　　作為娛樂(lè )級的無(wú)人機，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等無(wú)線(xiàn)遙控技術(shù)即可滿(mǎn)足傳輸需求。雖然433MHz頻段穿透性強、通訊距離遠，最遠可傳輸達2公里，但由于其抗干擾能力弱，遙控無(wú)人機或飛行器上都不太采用。很多家晶片廠(chǎng)商均可提供2.4GHz或5.8GHz的無(wú)線(xiàn)射頻晶片，一直以來(lái)多半都為遙控玩具廠(chǎng)商采用，可供選擇的晶片較多。

　　多軸無(wú)人機由于可以非常穩定的飛行，在裝載云臺和相機后，可以在高空中拍攝視訊，并透過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊(5.8G、WI-FI或LTE)即時(shí)傳輸到地面，其用途更加廣泛。合泰半導體產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術(shù)部專(zhuān)案處長(cháng)潘健章認為，四軸空拍飛行器已經(jīng)從少數的用途(交通監控、大氣監控、城市規劃、邊境巡防、災情監視、監測農業(yè)莊稼生長(cháng)與病蟲(chóng)害情況、精準噴灑農藥、邊疆巡航、城市反恐等)，開(kāi)始走向大眾消費者(空拍)，成為一款智慧硬體商品。

　　目前博通公司(Broadcom)的Wi-Fi和藍牙組合晶片已廣泛應用于無(wú)人機上，在控制訊號傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應用于無(wú)人機上的WLAN晶片主要特性為同時(shí)維護視訊通道和控制通道的可靠性和穩定性。這些晶片擁有先進(jìn)的接收架構、高接收靈敏度，以及各種先進(jìn)的通道管理能力，其中就包括針對高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術(shù)。“博通的WICED 開(kāi)發(fā)套件支援Linux、Android和基于RTOS的作業(yè)系統，”博通公司無(wú)線(xiàn)連接組合事業(yè)部產(chǎn)品資深行銷(xiāo)總監Brian Bedrosia說(shuō)。

　　在無(wú)人機的視訊傳輸方面，一般的做法是在云臺搭載相機，高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時(shí)看到拍攝畫(huà)面，所以還不能滿(mǎn)足空拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸類(lèi)比視訊到地面，最遠距離能達600多公尺。但這種方式需要在飛行器上將高解析(1,080P或4K)轉碼成720P，再轉成數位訊號傳輸到遙控器顯示幕上，技術(shù)上較復雜，畫(huà)面品質(zhì)不夠好，而且會(huì )有馬賽克、停頓或卡死的情形。

　　目前包括博通與高通等專(zhuān)業(yè)Wi-Fi晶片商都尚未開(kāi)發(fā)出這種遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸高解析視訊的晶片。但隨著(zhù)無(wú)人機市場(chǎng)持續延燒，無(wú)線(xiàn)晶片廠(chǎng)商已在著(zhù)手計劃推出專(zhuān)用晶片了。“未來(lái)我們將會(huì )看到能同時(shí)與控制器和顯示器建立鏈路的雙模晶片組，”博通的Brian Bedrosian表示。

　　在專(zhuān)用晶片推出之前，一種采用軟體定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)的方法解決了無(wú)線(xiàn)遠距離和高頻寬傳輸的矛盾。在A(yíng)DI公司的軟體定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)問(wèn)世之前，RF工程師可以透過(guò)分離元件實(shí)現遠距離高頻寬的無(wú)線(xiàn)傳輸，但是方案既復雜成本也很高，開(kāi)發(fā)時(shí)間太長(cháng)，不太適合用于消費性產(chǎn)品上。

　　ADI半導體資深客戶(hù)應用經(jīng)理章新明介紹，AD9561/64系列整合式RF收發(fā)器已經(jīng)被大量應用到無(wú)人機了。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器，可以實(shí)現 70MHz至6.0GHz可調頻率范圍，200kHz至56HHz頻段，可為無(wú)人機輕松實(shí)現較遠距離的高解析無(wú)線(xiàn)傳輸。”章新明說(shuō)，“它同時(shí)還可以傳輸指令，無(wú)人機的無(wú)線(xiàn)傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC。”

　　無(wú)人機仍面臨技術(shù)挑戰

　　雖然無(wú)人機前景被一致看好，但事實(shí)上無(wú)人機仍然面臨很多技術(shù)上的難題，包括電池的續航瓶頸、更高效率的旋翼設計、遠端的控制與通訊，以及在軟體上如何更方便地操控與普及產(chǎn)品等。這些方面的技術(shù)挑戰，隨著(zhù)眾多公司在無(wú)人機上的研發(fā)不斷投入都有可能解決，但還有一個(gè)現實(shí)的問(wèn)題困擾著(zhù)無(wú)人機，尤其是專(zhuān)業(yè)空拍級的無(wú)人機廠(chǎng)商。

　　專(zhuān)業(yè)空拍無(wú)人機定價(jià)高，而且還搭載著(zhù)高階的攝影機或相機。在使用過(guò)程中，哪怕是出現一次故障，造成無(wú)人機墜機，都會(huì )為消費者帶來(lái)重大損失，甚至是地面人員的人身安全。無(wú)人機制造廠(chǎng)偉力玩具技術(shù)總監翟占超本人也是一位多年的模型飛機玩家，他認為造成無(wú)人機墜機的原因可歸納為兩種：一是生產(chǎn)與安裝過(guò)程中品管不足，出現機械方面的問(wèn)題;另一種是訊號與軟體演算法的問(wèn)題。

　　翟占超表示，目前仍難以徹底解決無(wú)人機飛行器的‘墜機’問(wèn)題?，F在裝配的問(wèn)題比較容易發(fā)現并且避免，如調速器行程不一致、連線(xiàn)不夠穩定、機身震動(dòng)、結構裝配不完整等，這些問(wèn)題在飛機動(dòng)作量大時(shí)很容易導致失控。最嚴重的是飛控自身存在的不穩定，將會(huì )不定時(shí)的出現運算錯誤，例如由于環(huán)境原因造成的磁場(chǎng)錯亂、GPS訊號弱、遙控器失控以及電池突然沒(méi)電等。因此，在飛行控制時(shí)必須考慮到發(fā)生這些情況時(shí)的安全處理。