多軸飛行器無人機硬體技術(shù)揭密

　　趙延輝說：“對于飛行器來說，最重要的一點就是安全，無論是硬體設(shè)計還是軟體設(shè)計，都要先確保安全，而后才是極致的用戶體驗。ADI的MEMS感測器設(shè)計首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性，然后再追求極致的指標(biāo)。根據(jù)客戶實測回饋，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受任何影響，而其它某些陀螺儀會出現(xiàn)非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后，也不會產(chǎn)生任何可靠性問題，而其它某些加速度計則會以很大機率出現(xiàn)完全無輸出的現(xiàn)象。這些用戶實測出來的差異，都得益于ADI MEMS感測器在設(shè)計時對各種極端情況的充分考慮。”

　　“未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會朝整合化方向發(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，把處理器也整合進去，直接提供角度輸出供后端處理器調(diào)用。由于飛行器的應(yīng)用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內(nèi)的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補，或者是設(shè)計超級低溫漂的感測器，都會是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。”

　　陳一民認(rèn)為，隨著無人機的功能不斷增加，越來越多的GPS感測器、紅外線感測器、氣壓感測器、超音波感測器被應(yīng)用于無人機。方案供應(yīng)商已經(jīng)在利用紅外線和超音波感測器來開發(fā)可自動避撞的無人機，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。整合GPS感測器的無人機則可實現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內(nèi)建GPS功能的無人機可以在軟體中設(shè)置接近機場或航空限制的警示，避免誤入管制區(qū)域。

　　無線控制與視訊傳輸

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

　　多軸無人機由于可以非常穩(wěn)定的飛行，在裝載云臺和相機后，可以在高空中拍攝視訊，并透過無線通訊(5.8G、WI-FI或LTE)即時傳輸?shù)降孛?，其用途更加廣泛。合泰半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)處/馬達產(chǎn)品技術(shù)部專案處長潘健章認(rèn)為，四軸空拍飛行器已經(jīng)從少數(shù)的用途(交通監(jiān)控、大氣監(jiān)控、城市規(guī)劃、邊境巡防、災(zāi)情監(jiān)視、監(jiān)測農(nóng)業(yè)莊稼生長與病蟲害情況、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、邊疆巡航、城市反恐等)，開始走向大眾消費者(空拍)，成為一款智慧硬體商品。

　　目前博通公司(Broadcom)的Wi-Fi和藍(lán)牙組合晶片已廣泛應(yīng)用于無人機上，在控制訊號傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應(yīng)用于無人機上的WLAN晶片主要特性為同時維護視訊通道和控制通道的可靠性和穩(wěn)定性。這些晶片擁有先進的接收架構(gòu)、高接收靈敏度，以及各種先進的通道管理能力，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 開發(fā)套件支援Linux、Android和基于RTOS的作業(yè)系統(tǒng)，”博通公司無線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品資深行銷總監(jiān)Brian Bedrosia說。

　　在無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看到拍攝畫面，所以還不能滿足空拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸類比視訊到地面，最遠(yuǎn)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(zhuǎn)碼成720P，再轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號傳輸?shù)竭b控器顯示幕上，技術(shù)上較復(fù)雜，畫面品質(zhì)不夠好，而且會有馬賽克、停頓或卡死的情形。

　　目前包括博通與高通等專業(yè)Wi-Fi晶片商都尚未開發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無線傳輸高解析視訊的晶片。但隨著無人機市場持續(xù)延燒，無線晶片廠商已在著手計劃推出專用晶片了。“未來我們將會看到能同時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。

　　在專用晶片推出之前，一種采用軟體定義無線電(SDR)的方法解決了無線遠(yuǎn)距離和高頻寬傳輸?shù)拿?。在ADI公司的軟體定義無線電技術(shù)問世之前，RF工程師可以透過分離元件實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高頻寬的無線傳輸，但是方案既復(fù)雜成本也很高，開發(fā)時間太長，不太適合用于消費性產(chǎn)品上。

　　ADI半導(dǎo)體資深客戶應(yīng)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(yīng)用到無人機了。“AD9561/64擁有高性能2x2I/Q收發(fā)器，可以實現(xiàn) 70MHz至6.0GHz可調(diào)頻率范圍，200kHz至56HHz頻段，可為無人機輕松實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的高解析無線傳輸。”章新明說，“它同時還可以傳輸指令，無人機的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發(fā)IC。”

　　無人機仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

　　雖然無人機前景被一致看好，但事實上無人機仍然面臨很多技術(shù)上的難題，包括電池的續(xù)航瓶頸、更高效率的旋翼設(shè)計、遠(yuǎn)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(zhàn)，隨著眾多公司在無人機上的研發(fā)不斷投入都有可能解決，但還有一個現(xiàn)實的問題困擾著無人機，尤其是專業(yè)空拍級的無人機廠商。

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

　　翟占超表示，目前仍難以徹底解決無人機飛行器的‘墜機’問題。現(xiàn)在裝配的問題比較容易發(fā)現(xiàn)并且避免，如調(diào)速器行程不一致、連線不夠穩(wěn)定、機身震動、結(jié)構(gòu)裝配不完整等，這些問題在飛機動作量大時很容易導(dǎo)致失控。最嚴(yán)重的是飛控自身存在的不穩(wěn)定，將會不定時的出現(xiàn)運算錯誤，例如由于環(huán)境原因造成的磁場錯亂、GPS訊號弱、遙控器失控以及電池突然沒電等。因此，在飛行控制時必須考慮到發(fā)生這些情況時的安全處理。