无人机控制模块的硬件方案综述

谢晴晴

(北京市大兴区第一中学,北京 102600)

无人机的概念可定义为利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵,或由车载计算机等地面站完全或间歇地自主操作的“空中机器人”[1]。当今,无人机技术高速发展并广泛应用于民用领域。鉴于其可以规避人体健康问题,便于执行危险、污染等恶劣环境下的任务,并且反应迅速,能传输实时影像等优点,无人机不仅大程度应用于植保、电力和油气管道巡检等用途,还受到京东物流、顺丰快递等物流企业的青睐。无人机的发展迅速,且潜力巨大,一旦市场成熟将更具有竞争力。然而,随着技术的提高,无人机对自身结构、功能、硬件模块的要求也日益增高。本文将重点分析无人机的核心——控制模块的硬件方案,对无人机的进一步研究提供一定的技术参考。

1 无人机的基本构造及控制模块的关键性

无人机是自动化专业极具代表性的新时代终端产品,融合了传感器技术、信息处理技术、通信技术和智能控制技术等前沿科技。完整的无人机系统一般由飞行器平台、机载任务设备和地面系统三大部分构成。其中,飞行器平台由机体、飞控、导航、电气、动力和通信系统等构成;机载任务设备一般包括任务传感器、摄像系统或其它各类行业设备等;地面系统则包括起降装置、地面控制站以及检测保障设备等[2]。

从产品角度来说,一台完整的无人机包括机架、螺旋桨、飞行控制系统、电机和遥控模块等几大部分。其中,飞控系统为无人机自主调整姿态、平稳飞行、执行特定任务的核心控制装置,也是区别于普通航空模型的重要标志。飞控模块的主要功能为：利用惯性测量单元(IM U)获得的自身系统的实时加速度等原始数据,算出当前系统姿态,通过无线模块接收的控制信号得到希望达到的目标姿态,再根据目标姿态和当前姿态的差值调整飞行器飞行的一系列复杂操作。其核心思想在于缩小当前姿态和目标姿态之间的差值,即P I D控制算法。在无人机的飞行过程中,其姿态的调整就是通过飞控模块的不断调节所实现的。因此,飞行控制系统的优劣,直接决定了无人机的飞行品质和运行稳定性。

无人机现已广泛应用于大型赛事的航拍,但其安全性问题却依然屡屡发生,在某中学运动会上就曾发生航拍无人机“炸机”事件,导致两人受伤,其中一人眼角膜脱落伤势严重,因此控制系统的改良和发展刻不容缓。

2 三大前沿的硬件方案

2.1 意法半导体STM32系列

意法半导体S T M 32系列是目前国内广泛采用的无人机主控芯片,其当前主流产品STM32F4在无人机中应用较为广泛,大疆精灵系列产品的飞控芯片就采用了S7M32F4芯片。基于S T M 32设计的四轴飞行器,采用了动态功耗调整功能,通过闪存执行时的电流消耗也大为降低,拥有与普通飞行器相比结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力的优点,具有很大应用前景[3]。

2.2 高通骁龙无人机平台

“骁龙Flight”是一款专门针对消费级无人机和机器人应用而设计的高度优化的开发板。支持G P S、4 K视频拍摄,具有强劲的连接性,支持双通道Wi-Fi和蓝牙模块、实时飞行控制系统、快速充电技术。其优势在于将摄影,导航和通信技术集合在一个紧凑而高效的封装中,有助于减少使用该开发板的无人机尺寸、重量和功耗,从而支持更长的飞行时间,具有较高的安全性和易于使用的外形尺寸。此外,骁龙Flight平台具有先进的处理能力、经过优化的全球导航卫星系统和尖端的移动技术。骁龙飞行平台应用了高通技术强大的计算机视觉专业技术,可用于无人机自动避障,智能跟踪人或物体,从而实现无人机移动跟拍等新形式的航拍功能。

2.3 英特尔无人机硬件方案

英特尔作为芯片商中的龙头企业,同样开发了独具特色的无人机平台“Ready to fly”,该平台以英特尔实感技术为创新点。近两年英特尔主打的RealSense实感技术在体感游戏等领域被广泛应用,其在无人机上的应用可以说是智能无人机发展的另一个突破。无人机实感技术的硬件方案主要通过3 D摄像头实现。3 D摄像头分为两种,一种是用于近距离拍摄且精度较高的前置3 D摄像头,运用了“结构光”原理;另一种为远距离摄像头,使用“主动立体成像原理”,模仿人眼的“视差”原理,通过打出一束红外光,以左红外传感器和右红外传感器追踪这束光的位置,然后用三角定位原理来计算出3D图像中的“深度”信息[4],从而实现较远距离的目标识别。

3 发展趋势和技术挑战

3.1 控制模块的硬件研发方向

通过总结目前控制模块的硬件方案,本文将其研发方向总结为以下三点：

(1)小型化。现在芯片工艺追求更高精度,更小体积。例如英特尔14nm级芯片和高通公司用于无人机的801系列芯片,芯片上的组件排布极其紧密,不仅缩小体积便于安装、携带,还大大减少了功耗,在无人机的设计制造中备受欢迎。

(2)高速化。为适应各种特定功能,无人机控制模块的运算速度和计算能力都必须不断提高,因此对硬件芯片的主频的要求就越来越高。高速化是硬件方案的一必要发展趋势,对实现无人机的实时控制、自动避障等功能至关重要。

(3)高集成度。高集成度是指把更多的外设集成到一块开发板上,在丰富功能的同时最大化地降低空间成本和功耗,更便捷,更高效。

3.2 面临的技术挑战

技术要求的提高带来了更多的技术挑战。芯片的小型化使芯片表面积减小,不易散热,造成工作运行受阻,所以芯片体积和散热之间的合理配置需进一步探究。另一方面,在追求小型化基础上还需对芯片组件进行更加精密的改良。为执行更多复杂任务,在多核,多线程,同时执行多个任务时,内存的消耗会增加,并且需要内存数据的同步。此外,芯片的控制运行需要进行数据共享,多核间应可通信,而该方面的硬件方案以及无人机的并行控制方案尚不完备。

4 结语

无人机的发展在很大程度上受限于飞控系统的硬件升级,因此,对无人机控制模块的硬件方案要求也会越来越高,本文从几大芯片商的产品出发,着重介绍了硬件方面的几个前沿技术。目前,民用无人机处于高速发展的黄金时期,随着技术的不断发展,无人机所引领的“智能科技”将逐渐涉及更多领域,更加贴近人们的生活。

[1] 陶于金,李沛峰.无人机系统发展与关键技术综述[J].航空制造技术,2014, 464(20)：34-39.

[2] 裴锦华.民用无人机产业发展动态及其在网络通信领域中的应用[J].电信工程技术与标准化, 2017, 30(4)：1-6.

[3] 钱昊,许森, 陈友荣. 基于STM32F103的四旋翼无人机控制器设计[J].浙江树人大学学报：自然科学版,2016(4)：6-10.

[4] 张西忱.无人机的避障技术及其应用[J].集成电路应用,2017,34(2)：66-68.