在今年CES上無人機成為了展會最大的熱點之一，大疆(DJI)、Parrot、3D Robotics
、AirDog等知名無人機公司都有展示他們的最新產品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強大、能夠自動避開障礙物的飛行器。無人機在2015年已經迅速地成為現象級的熱門產品，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。

 

與固定翼無人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩定
，能在空中懸停。主機的硬件結構如圖1。

圖1:四軸飛行器係統解析圖

 

標準的遙控器的結構圖如圖2。

圖2：遙控器係統解析圖

 

以上隻是標準產品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發燒友和航拍用戶們的無人機係統，還會要求有雲台、攝像頭、視頻傳輸係統以及視頻接收等更多模塊。

 

在(zai)四(si)軸(zhou)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)飛(fei)控(kong)主(zhu)板(ban)上(shang)
，需(xu)要(yao)用(yong)到(dao)的(de)芯(xin)片(pian)並(bing)不(bu)多(duo)。目(mu)前(qian)的(de)玩(wan)具(ju)級(ji)飛(fei)行(xing)器(qi)還(hai)隻(zhi)是(shi)簡(jian)單(dan)地(di)在(zai)空(kong)中(zhong)飛(fei)行(xing)或(huo)停(ting)留(liu)
，隻(zhi)要(yao)能(neng)夠(gou)接(jie)收(shou)到(dao)遙(yao)控(kong)器(qi)發(fa)送(song)過(guo)來(lai)的(de)指(zhi)令(ling)
，控(kong)製(zhi)四(si)個(ge)馬(ma)達(da)帶(dai)動(dong)槳(jiang)翼(yi)，基(ji)本(ben)上(shang)就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)飛(fei)行(xing)或(huo)懸(xuan)停(ting)的(de)功(gong)能(neng)。

意法半導體高級市場工程師任遠介紹，無人機/多軸飛行器主要部件包括飛行控製以及遙控器兩部分。其中飛行控製包括電調/馬達控製、飛機姿態控製以及雲台控製等。目前主流的電調控製方式主要分成BLDC方波控製以及FOC正弦波控製，意法半導體的STM32F051以及STM32F301係列因其高集成度
，小封裝以及超值的性價比被業界廣泛采用。在飛機姿態控製方麵，根據外部傳感器的不同，意法半導體可以提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的係列對應客戶的需求。雲台控製方麵
，STM32F301/STM32F302/STM32F405等係列也已經廣泛應用於客戶的航拍產品當中。另外，在遙控器方麵，除了STM32F0/STM32F1係列應用於傳統的不帶顯示的類型之外，STM32F429由於內置TFT彩屏驅動也正在逐漸用在帶彩屏顯示的遙控器當中。

 

新唐的MCU負責人表示: 多軸飛行器由遙控, 飛控,動力係統, 航拍等不同模塊構成, 根據不同等級產品的需求, 從8051, Cortex-M0, Cortex-M4到ARM9的不同CPU內核, 新唐科技已有多款 MCU 被應用在多軸飛行器：例如小四軸的飛行主控, 因功能單純, 體積小, 必須同時整合遙控接收, 飛行控製及動力驅動功能, 采用QFN33或TSOP20 封裝的Cortex-M0 MINI54係列；中高階多軸飛行器則采用內建 DSP 及浮點運算單元的Cortex-M4 M451係列, 負責飛行主控功能，驅動無刷電機的電調(ESC)板則采用MINI5係列設計。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係列。另外, 內建ARM9及H.264視頻邊譯碼器的N329係列SOC則應用於2.4G及5.8G的航拍係統。

 

在飛控主板上，目前控製和處理用得最多的還是MCU而不是CPU。由於對於飛行控製方麵主要都是浮點運算，簡單的ARM Cortex-M4內核32位MCU都可以很好的滿足。有的傳感器MEMS芯片中已經集成了DSP
，與之搭配的話
，更加簡單的8位單片機也可以做到。

 

今年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，他們采用了比微控製器(MCU)更為強大的CPU或是ARM Cortex-A係列處理器作為飛控主芯片。

 

例如
，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無人機是基於高通Snapdragon芯片開發出來的飛行控製器，它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機。這款無人機采用了“RealSense”技術
，能夠建起3D地圖和感知周圍環境，它可以像一隻蝙蝠一樣飛行
，能主動避免障礙物。英特爾的無人機是與一家德國工業無人機廠商Ascending Technologies合作開發，內置了高達6個英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾淩動(Atom)處理器的PCI-express定製卡
，來處理距離遠近與傳感器的實時信息
，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人機

，一是看好無人機的市場，二是美國即將推出相關法規，對無人機的飛行將有嚴格的管控。

 

此外，活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經進入到無人機領域。XMOS公司市場營銷和業務拓展副總裁Paul Neil博士表示
，XMOS的xCORE多核微控製器係列已被一些無人機/多軸飛行器的OEM客戶采用。在這些係統中，XMOS多核微控製器既用於飛行控製也用於MCU內部通信。

 

Paul Neil說：xCORE多核微控製器擁有數量在8到32個之間的、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時I/O性能
，同時伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨立地執行係統控製與通信任務，不產生任何實時操作係統(RTOS)開銷。xCORE微控製器的硬件實時性能使得我們的客戶能夠實現非常精確的控製算法，同時在係統內無抖動。xCORE多核微控製器的這些優點，正是吸引諸如無人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實時性應用用戶的關鍵之處。”

 

意法半導體也透露，STM32F7係列采用最新一代Cortex-M7架構
，集高性能、實時功能、數字信號處理、高集成度，為有高精度控製的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency(動態效率)微控製器係列在動態功耗與處理性能之間取得完美平衡
，使飛行器設計更加完美。

 

多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(馬達)
，用來驅動無人機的旋翼。而馬達驅動控製器就是用來控製無人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位MCU來做控製
，但筆者也有看到一顆MCU控製多個BLDC馬達的方案。

 

無人機方案商深圳富微科創電子有限公司總經理陳一民認為，目前業內的玩具級飛行器，雖然大部分從三軸升級到了六軸MEMS，但dan通tong常chang采cai用yong的de都dou是shi消xiao費fei類lei產chan品pin如ru平ping板ban或huo手shou機ji上shang較jiao常chang用yong的de價jia格ge敏min感gan型xing型xing號hao。在zai專zhuan業ye航hang拍pai以yi及ji專zhuan為wei航hang模mo發fa燒shao友you開kai發fa的de中zhong高gao端duan無wu人ren機ji上shang
，則ze會hui用yong到dao質zhi量liang更geng為wei價jia格ge更geng高gao的de傳chuan感gan器qi
，以yi保bao障zhang無wu人ren機ji更geng為wei穩wen定ding、安全的飛行。

 

ADI亞太區微機電產品市場和應用經理趙延輝介紹
，ADI的工業級陀螺儀ADXRS652
、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工業級加速度計ADXL203
、 ADXL278等被廣泛用於專業級的航拍設備上。而商業級的加速度計ADXL335、ADXL326
、 ADXL350、ADXL345等
，也一直被廣泛應用於一體機及各種飛行器中。

 

這些MEMS傳感器主要用來實現飛行器的平穩控製和輔助導航。飛行器之所以能懸停
，可以做航拍，是因為MEMS傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)飛(fei)行(xing)器(qi)在(zai)飛(fei)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)俯(fu)仰(yang)角(jiao)和(he)滾(gun)轉(zhuan)角(jiao)變(bian)化(hua)，在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)角(jiao)度(du)變(bian)化(hua)後(hou)，就(jiu)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)向(xiang)相(xiang)反(fan)的(de)方(fang)向(xiang)轉(zhuan)動(dong)，進(jin)而(er)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)效(xiao)果(guo)。這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。至(zhi)於(yu)用(yong)MEMSchuanganqiceliangjiaodubianhua
，yibanyaoxuanzezuhechuanganqi
，jibunengdanchunyilaijiasuduji，yebunengdanchunyilaituoluoyi
，zheshiyinweimeizhongchuanganqidouyouyidingdejuxianxing。birushuotuoluoyishuchudeshijiaosudu，yaotongguojifencainenghuodejiaodu
，danshijishizailingshuruzhuangtaishi，tuoluoyiranshiyoushuchude，tadeshuchushibaizaoshenghemanbiansuijihanshudediejia
，shouciyingxiang，zaijifendeguochengzhong，biranhuiyinjinleijiwucha
，jifenshijianyuechang，wuchajiuyueda。zhejiuxuyaojiasudujilaixiaozhengtuoluoyi，yinweijiasudujikeyiliyonglidefenjieyuanli
，tongguozhonglijiasuduzaibutongzhouxiangshangdefenlianglaipanduanqingjiao。youyumeiyoujifenwucha
，suoyijiasudujizaixiangduijingzhidetiaojianxiakeyixiaozhengtuoluoyidewucha。danzaiyundongzhuangtaixia，jiasudujishuchudekexindujiuyaoxiajiang，yinweitaceliangdeshizhonglihewailideheli。jiaochangjiandesuanfajiushiliyonghubulvbo，jiehejiasudujihetuoluoyideshuchulaisuanchujiaodubianhua。

 

趙延輝表示，ADIchanpinzhuyaodeyoushijiushizaigezhongelietiaojianxia，junkehuodegaojingdudeshuchu。yituoluoyiweili，tadelixiangshuchushizhixiangyingjiaosudubianhua，danshijishangshoushejihegongyidexianzhi
，tuoluoduijiasuduyeshimingande，jiushiwomenzaituoluoyishujushouceshangchangjiandedeg/sec/gdezhibiao。duiyuduozhoufeixingqideyingyonglaishuo，zhegezhibiaoyouweizhongyao，yinweifeixingqizhongdemadayibanhuidailaijiaoqiangliedezhendong，yidanjianzhenkongzhibuhao
，jiuhuizaifeixingguochengzhongchanshenghendadejiasudu
，nashibihuidailaituoluoshuchudebianhua，jineryinqijiaodubianhua，madajiuhuiwudongzuo，zuihougeizhongduanyonghudezhiguanganjiaojiushifeixingqibingbupingwen。chucizhiwai，zaimouxieqingkuangxia
，ruguofeixingqituranzhuanwan，kenenghuizaochengshuruzhuansuchaoguotuoluoyideceshiliangcheng，lixiangqingkuangxia，tuoluoyideshuchuyinggaishibaoheshuchu，daizhuansuhuifudaotuoluoyiliangchengfanweihou，tuoluoyizaizhengquefanyingshishidejiaosudubianhua
，danyouxietuoluoyiquebushizheyang
，yidanshuruchaoguoliangcheng，tuoluobianhuichanshengzhendangshuchu
，geichuwanquancuowudejiaosudu。haiyoumouxieqingkuangxia，feixingqihuishoudaojiaodadejiasuduchongji，lixiangqingkuangtuoluoyiyaojinliangyizhizhezhongchongji，ADI的陀螺儀在設計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構
，采用差分輸出的原理來抑製這種“共模”的衝擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產生非常大錯誤輸出，甚至是產生震蕩輸出。

“對於飛行器來說，最重要的一點就是安全，無論它的硬件設計還是軟件設計，都要首先保證安全

，而後才是極致的用戶體驗。ADI的MEMS傳感器設計理念恰好跟此想吻合，我們的MEMS傳感器首先是保證在各種極端條件下的穩定性，而後才是追求極致的指標。根據客戶實測反饋，在飛行器誤操作

，不小心掉落後，ADI的陀螺儀輸出基本不會受任何影響，而其它某些陀螺儀會出現非常大零點偏移。ADIdejiasudujizaishoudaochongjihou
，yebuhuichanshengrenhekekaoxingwenti
，erqitamouxiejiasudujizehuiyihendagailvchuxianwanquanmeiyoushuchudexianxiang。zhexieyonghushicechulaidechayi
，doushideyiyuADI MEMS傳感器在設計時對各種極端情況的充分考慮。”趙延輝說。

 

“未來飛行器上的MEMS產品也會向集成化方向發展
，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產品，甚至是SOC，把ba處chu理li器qi也ye集ji成cheng進jin去qu，直zhi接jie提ti供gong角jiao度du輸shu出chu供gong後hou端duan處chu理li器qi調tiao用yong。由you於yu飛fei行xing器qi的de應ying用yong場chang景jing一yi般ban都dou是shi戶hu外wai

，客ke戶hu勢shi必bi會hui做zuo全quan溫wen範fan圍wei內nei的de溫wen度du補bu償chang，而er在zai出chu廠chang前qian就jiu對duiMEMS產品做好了全溫範圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產品在這一領域的發展方向。當然可靠性依然是最重要的指標。”他認為。

 

陳一民認為，隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi越yue來lai越yue多duo地di被bei用yong到dao無wu人ren機ji上shang。方fang案an商shang已yi經jing在zai利li用yong紅hong外wai和he超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi來lai開kai發fa出chu可ke自zi動dong避bi撞zhuang的de無wu人ren機ji，以yi滿man足zu將jiang來lai相xiang關guan法fa規gui的de要yao求qiu。集ji成cheng了leGPS傳感器的無人機則可以實現一鍵返航功能
，防止無人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設置接近機場或航空限製的敏感地點，不讓飛機起飛。

 

作為娛樂級的無人機
，可能隻需要用到傳輸的遙控技術，2.4GHz或5.8GHz的無線遙控都可以滿足。雖然433MHz頻段穿透性強，通訊距離遠，可以最遠傳輸達2公裏，但由於其抗幹擾能力弱，遙控無人機或飛行器上都不太采用。2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片有很多家芯片廠商都可以提供

，一直以來都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多。

 

多軸無人機由於可以非常穩定的飛行，在裝戴雲台和相機後
，可以在高空中拍攝視頻，並通過無線通信(5.8G、WIFI或LTE)即時傳輸到地麵，其用途更加廣泛。合泰半導體產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章認為
，四軸航拍飛行器已經從少數的用途(交通監控

、大氣監控、城市規劃、邊境巡防、災情監視、監測農業莊稼生長與病蟲害情況、精準噴灑農藥、邊疆巡航、城市反恐等)

，開始走向大眾消費者(航拍)，成為一款智能硬件商品。

 

目前博通公司的Wi-Fi和藍牙組合芯片已廣泛應用於無人機上，在控製信號傳輸和視頻傳輸上均有涉獵。應用於無人機上的WLAN芯片主要特性為同時維護視頻信道和控製信道的可靠性和穩定性。這些芯片擁有先進的接收架構、高接收靈敏度

，以及各種先進的信道管理能力
，其中就包括針對高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術。“博通的WICED 開發套件支持Linux，Android和基於RTOS設計的操作係統，”博通公司無線連接組合事業部產品營銷高級總監Brian Bedrosia說。

 

在無人機的視頻傳輸方麵，深圳大疆DJI無人機早就是航拍無人機市場的領導者。他們可以無線傳輸1080P高gao清qing視shi頻pin，這zhe是shi其qi它ta眾zhong多duo國guo內nei娛yu樂le無wu人ren機ji廠chang商shang目mu前qian沒mei有you解jie決jue的de問wen題ti。一yi般ban的de做zuo法fa是shi在zai雲yun台tai搭da載zai相xiang機ji，高gao空kong拍pai攝she再zai飛fei回hui地di麵mian檢jian查zha。這zhe種zhong方fang式shi由you於yu不bu能neng即ji時shi看kan到dao拍pai攝she畫hua麵mian，所suo以yi還hai不bu能neng滿man足zu航hang拍pai的de要yao求qiu。陳chen一yi民min介jie紹shao，目mu前qian有you不bu少shao方fang案an是shi采cai用yong5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地麵

，最遠距離能達600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清(1080P或4K)轉碼成720P，再轉成數字信號傳輸到遙控器顯示屏上
，技術上也較複雜，並且畫麵會有馬賽克、停頓或卡死。畫麵質量也不夠好
，用到專業航拍還有距離
，適合普通愛好者娛樂。

 

目前專業WiFixinpianchangshanghaimeiyoukaifachuzhezhongyuanjuliwuxiangaoqingshipinchuanshudexinpian，baokuobotongyugaotongdoumeiyou。danshiwurenjishichangrucihuore，wuxianxinpianchangshangyijingzaizheshoujihuatuichuzhuanyongxinpian。“未來我們將會看到能同時與控製器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組，”博通公司 Brian Bedrosian表示。

 

在專用芯片推出之前
，一種采用軟件定義無線電的方法解決了無線遠距離和高帶寬傳輸的矛盾。在ADI公司的軟件定義無線電(SDR)技術問世之前，RFgongchengshikeyitongguofenliqijianqushixianyuanjuligaodaikuandewuxianchuanshu，danshifanganjifuzachengbenyehengao
，kaifashijiantaichang，butaishiheyongyuxiaofeileidechanpinshang。

 

ADI半導體高級客戶應用經理章新明介紹，公司的AD9561/64係列集成式RF收發器已經被大量應用到無人機。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發器，可以實現 70MHz至6.0GHz可調頻率範圍，200kHz至56HHz的通道帶，可輕鬆實現無人機的較遠距離的高清無線圖傳。”章新明說，“同時它還可以傳輸指令
，無人機的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發IC。”

 

雖然無人機前景被一致看好，但事實上無人機仍然還麵臨很多技術上的難題，包括電池的續航瓶頸

、更高效率的旋翼的設計
、更遠程的控製與通信、以(yi)及(ji)在(zai)軟(ruan)件(jian)上(shang)如(ru)何(he)更(geng)方(fang)便(bian)的(de)操(cao)控(kong)來(lai)普(pu)及(ji)產(chan)品(pin)等(deng)。這(zhe)些(xie)方(fang)麵(mian)的(de)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)，隨(sui)著(zhe)眾(zhong)多(duo)公(gong)司(si)在(zai)無(wu)人(ren)機(ji)上(shang)的(de)研(yan)發(fa)不(bu)斷(duan)投(tou)入(ru)都(dou)有(you)可(ke)能(neng)解(jie)決(jue)，但(dan)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)現(xian)實(shi)的(de)問(wen)題(ti)
，困(kun)擾(rao)著(zhe)無(wu)人(ren)機(ji)，尤(you)其(qi)是(shi)專(zhuan)業(ye)航(hang)拍(pai)級(ji)的(de)無(wu)人(ren)機(ji)廠(chang)商(shang)。

 

專業航拍無人機定價動輒高達上萬塊RMB
，同tong時shi還hai搭da載zai高gao端duan的de相xiang機ji或huo攝she像xiang機ji。在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong，哪na怕pa是shi出chu現xian一yi次ci故gu障zhang，造zao成cheng無wu人ren機ji墜zhui機ji，都dou會hui給gei消xiao費fei者zhe帶dai來lai重zhong大da的de損sun失shi
，甚shen至zhi是shi地di麵mian人ren員yuan的de人ren身shen安an全quan。在zai專zhuan業ye論lun壇tan中zhong被bei發fa燒shao友you們men稱cheng為wei“炸機”的無人機墜機事件不斷發生，專業航拍廠家為此最為頭痛，主要原因是基本上即使是有事故視頻，甚至是飛機“殘骸”

，技術人員也不能斷定事故真正的原因。

 

無人機製造廠偉力玩具的技術總監翟占超他本人也是一位多年的航模發燒友
，他認為“炸機”的原因算歸納起來有兩種：一種原因是生產與安裝過程中不夠好，出現機械方麵的問題
；另一種是信號與軟件算法的問題。

 

翟zhai占zhan超chao表biao示shi要yao徹che底di解jie決jue這zhe個ge無wu人ren機ji飛fei行xing器qi的de墜zhui機ji很hen難nan。現xian在zai裝zhuang配pei的de問wen題ti比bi較jiao容rong易yi發fa現xian和he避bi免mian的de
，比bi如ru調tiao速su器qi行xing程cheng不bu一yi致zhi，連lian線xian不bu夠gou牢lao靠kao，機ji身shen震zhen動dong，結jie構gou裝zhuang配pei不bu到dao位wei等deng，這zhe些xie問wen題ti在zai飛fei機ji動dong作zuo量liang大da時shi很hen容rong易yi導dao致zhi失shi控kong。最zui嚴yan重zhong的de是shi飛fei控kong自zi身shen存cun在zai的de不bu穩wen定ding很hen可ke怕pa
，不bu定ding時shi的de會hui出chu現xian運yun算suan錯cuo誤wu，比bi如ru由you於yu環huan境jing原yuan因yin造zao成cheng的de磁ci場chang錯cuo亂luan、GPS信號弱
、遙控器失控以及電池突然沒電等。他認為

，現在的飛控上需要考慮到以上這些情況下的安全處理。