無人機(jī)設(shè)計(jì)的下一個(gè)進(jìn)化步驟

一些人認(rèn)為，無人駕駛飛行器 (UAV) 或眾所周知的無人機(jī)的商業(yè)意義可能與互聯(lián)網(wǎng)一樣重要。航空攝影和攝像等備受矚目的應(yīng)用在很大程度上已被無人機(jī)普及，具有大眾吸引力和相應(yīng)的高容量。更深?yuàn)W的用途包括農(nóng)業(yè)管理，預(yù)計(jì)它們在醫(yī)療應(yīng)用中的使用會增加。

由于公司為企業(yè)提供交鑰匙解決方案，“無人機(jī)即服務(wù)”的概念已經(jīng)出現(xiàn)?？梢哉f，圍繞立法的澄清有助于而不是阻礙新興行業(yè)，盡管對整體有效載荷有限制，但它們的優(yōu)勢幾乎是有保證的。亞馬遜和 Facebook 等大型組織正在積極開發(fā)計(jì)劃，分別使用無人機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)送貨物和連接互聯(lián)網(wǎng)。

這些新興應(yīng)用將越來越依賴于自動(dòng)駕駛，因此，無人機(jī)很可能成為第一種完全融入社會的真正自動(dòng)駕駛汽車。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，商業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，例如家庭監(jiān)控?zé)o人機(jī)，它可以在檢測到移動(dòng)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)航建筑物的周邊，并通過互聯(lián)網(wǎng)將其看到的內(nèi)容傳遞給房主。

除了無人駕駛，無人機(jī)也不受束縛。包括電力、處理和有效載荷的緊湊型系統(tǒng)。為了真正有用，它們需要穩(wěn)定和高效，即使在危險(xiǎn)和多變的天氣條件下也是如此。除了一次充電盡可能長時(shí)間地運(yùn)行外，它們還不可避免地需要能夠自行對接以進(jìn)行充電，從而使它們幾乎可以無限期地自主運(yùn)行。這種水平的精確控制和導(dǎo)航正在創(chuàng)造對新技術(shù)的需求，并突出了無人機(jī)開發(fā)的兩個(gè)最關(guān)鍵的特性：電機(jī)控制和導(dǎo)航。

電子速度控制

作為一個(gè)系統(tǒng)，無人機(jī)可以用包括飛行控制器、電子速度控制器（ESC）、電池和有效載荷在內(nèi)的功能元素來描述。ESC與飛控分離但仍由飛控管理是相關(guān)的。這主要是因?yàn)樗且豁?xiàng)復(fù)雜的功能，可以從專用解決方案中受益。

電調(diào)負(fù)責(zé)控制每臺電機(jī)的速度，因此，通常每臺電機(jī)都有一個(gè)專用的電調(diào)。為了協(xié)調(diào)它們的操作，所有電調(diào)必須能夠直接或通過飛控間接地相互通信；在典型的無人機(jī)中，可能會有四個(gè) ESC 和四個(gè)電機(jī)。ESC 已成為一個(gè)卓越的領(lǐng)域，通常表現(xiàn)為一個(gè)可以輕松集成的完整子系統(tǒng)，現(xiàn)在可用的 ESC 解決方案數(shù)量雖小但數(shù)量不斷增加。

由于穩(wěn)定性和效率在無人機(jī)技術(shù)中至關(guān)重要，因此控制電機(jī)的方式是無人機(jī)操作的基礎(chǔ)。許多 ESC 供應(yīng)商采用的方法是磁場定向控制 (FOC)，這是一種控制電機(jī)扭矩并通過該技術(shù)控制速度的技術(shù)。如果實(shí)施得當(dāng)，F(xiàn)OC 可以在不引入不穩(wěn)定性的情況下提供快速的加速度變化，從而使無人機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)動(dòng)，同時(shí)最大限度地提高效率。驅(qū)動(dòng)矢量的快速計(jì)算在 FOC 中至關(guān)重要，這就是為什么它已成為一般以電機(jī)控制為目標(biāo)的微控制器供應(yīng)商關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是 ESC。

當(dāng)今無人機(jī)中最受青睞的電機(jī)形式是無刷直流電機(jī)，因?yàn)樗w積小、成本相對較低且經(jīng)久耐用。為了進(jìn)一步降低材料清單，無人機(jī)制造商通常會采用無傳感器拓?fù)?；也就是說，電機(jī)的位置是通過監(jiān)測電機(jī)的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來確定的。通過 FOC 算法控制無傳感器 BLDC 電機(jī)非常復(fù)雜，這也是領(lǐng)先的微控制器制造商開始出現(xiàn)交鑰匙解決方案的另一個(gè)原因。

一個(gè)例子是STMicroelectronics的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器 (ESC) ，它將 STMicroelectronics 的STM32F303CBT7微控制器和電機(jī)控制 SDK 與其L6398驅(qū)動(dòng)器和 STL160NS3LLH7 功率 MOSFET結(jié)合在一起。它們共同構(gòu)成了一個(gè)完整的解決方案，用于使用無傳感器 FOC 算法驅(qū)動(dòng)單個(gè)三相無刷電機(jī)，無論是 BLDC 還是 PMSM（永磁同步電機(jī)）。功率 MOSFET 是 N 通道 30 V、160 A STripFET H7 器件。該設(shè)計(jì)可提供 20 A 的最大 RMS 電流，足以驅(qū)動(dòng)專業(yè)無人機(jī)中使用的電機(jī)。圖 1 顯示了該解決方案的框圖。

STMicroelectronics 指出，使用 FOC，而不是某些 ESC 中使用的梯形控制算法，可以提供更好的扭矩控制，同時(shí)它提供的實(shí)施還提供了減速期間的主動(dòng)制動(dòng)和能量回收。

圖1：意法半導(dǎo)體STEVAL-ESC001V1基于磁場定向控制的電子調(diào)速方案框圖，專為無人機(jī)開發(fā)。

填充板的尺寸略小于 30 mm x 60 mm，如圖 2（頂部）和圖 3（底部）所示，突出顯示了關(guān)鍵功能組件。

圖 2：STEVAL-ESC001V1（頂部）。

圖 3：STEVAL-ESC001V1（底部）。

評估板使用ST-Link/V2編程器進(jìn)行編程，固件可以使用 ST 電機(jī)控制工作臺進(jìn)行配置（提供使用 MC 工作臺的簡短視頻介紹）。使用該軟件和評估板，工程師可以分析電機(jī)并編譯驅(qū)動(dòng)該電機(jī)所需的固件。雖然用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)各相的信號由電路板計(jì)算和應(yīng)用，但 PWM 信號用于設(shè)置電機(jī)的速度。如圖 4 所示，1060 μs 和 1860 μs 之間的脈沖分別用于將電機(jī)速度設(shè)置在其最小值和最大值之間。

圖 4：用于調(diào)節(jié)由 STEVAL-ESC001V1 控制的電機(jī)速度的 PWM 信號。

電調(diào)參考設(shè)計(jì)

總體而言，電機(jī)控制對于許多半導(dǎo)體制造商來說是一個(gè)越來越重要的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是那些擁有強(qiáng)大微控制器產(chǎn)品組合的制造商。這包括德州儀器，該公司開發(fā)并生產(chǎn)了一種 FOC 解決方案，該解決方案預(yù)裝在精選Piccolo MCU的 ROM 中并通過 API 訪問。

如果沒有傳感器來提供有關(guān)電機(jī)位置的反饋，則選擇是以開環(huán)配置運(yùn)行電機(jī)或使用某種其他形式的反饋。應(yīng)該注意的是，閉環(huán)配置提供了更好的控制并導(dǎo)致更好的整體性能。提供閉環(huán)操作所需的反饋由稱為觀察器的專用固件功能提供，該功能利用電機(jī)繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢來估計(jì)其位置。因此，固件也稱為估計(jì)器。

在 TI 的解決方案中，估計(jì)器固件被稱為 InstaSPIN-FAST，它代表通量、角度、速度和扭矩。FAST 被描述為一種通用的三相電機(jī)軟件編碼器，能夠與一系列電機(jī)實(shí)現(xiàn)一起工作，包括同步和異步直流和交流電機(jī)。FOC 扭矩控制器軟件 InstaSPIN-FOC 對其進(jìn)行了補(bǔ)充，該軟件是 TI MotorWare 軟件包的一部分；免費(fèi)使用，免費(fèi)下載的解決方案。但是，該解決方案的 FAST 部分是專有的，僅在支持的 MCU 中作為基于 ROM 的代碼提供；雖然 InstaSPIN-FOC 可以從 RAM 或閃存執(zhí)行，但 FAST 算法必須始終從 ROM 執(zhí)行。

德州儀器 (TI) 的無人機(jī) ESC高速無傳感器 FOC參考設(shè)計(jì)提供了一種評估 InstaSPIN 技術(shù)的簡單方法。它基于 C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開發(fā)板（圖 5）和DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動(dòng) BoosterPack 評估模塊（圖 6）。

圖 5：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M 開發(fā)板。

圖 6：DRV8305EVM 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 BoosterPack 評估模塊。

在這樣一個(gè)競爭激烈的空間中，與易用性相匹配的性能通?？梢猿蔀檫x擇特定解決方案的非常有說服力的理由，在這方面，TI 已盡一切努力在競爭中脫穎而出。例如，控制算法需要了解與被控制電機(jī)有關(guān)的某些參數(shù)，但 TI 堅(jiān)持認(rèn)為其解決方案需要提供的電機(jī)參數(shù)較少，以至于不需要數(shù)據(jù)表。此外，與大多數(shù)其他解決方案不同，一旦確定了電機(jī)，InstaSPIN-FOC 和 FAST 解決方案就無需調(diào)整。

估計(jì)器的運(yùn)行精度是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在此，TI 表示其解決方案可以在一個(gè)電周期內(nèi)開始跟蹤，并且可以將精度保持在 1 Hz 以下。其他解決方案通常僅在超過 5 Hz 的頻率下準(zhǔn)確，并且在高頻下可能會受到影響。這些優(yōu)勢還意味著 TI 的解決方案可以在啟動(dòng)時(shí)提供 100% 的扭矩，并且在零速下完全穩(wěn)定。

像這樣的開發(fā)平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現(xiàn)在更容易開始無人機(jī)設(shè)計(jì)。TI 表示，其解決方案可在兩分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行，這突顯了先進(jìn)的 FOC 解決方案在很短的時(shí)間內(nèi)已變得多么先進(jìn)。然而，導(dǎo)航不一定如此，但它正在迅速發(fā)展，并且不可避免地很快就會有可以為各種無人駕駛車輛提供完全自主導(dǎo)航的解決方案。

差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

導(dǎo)航主要因一件事而變得復(fù)雜：障礙物。如果沒有任何需要避開的障礙物，汽車就已經(jīng)可以自動(dòng)駕駛了，但事實(shí)上，如果從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)是一條沒有任何東西的直線，那么從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)會簡單得多。幸運(yùn)的是，在天空中，情況經(jīng)常如此。由于這個(gè)原因，自主無人機(jī)可能遲早會變得司空見慣。當(dāng)然，仍然有必要考慮碰撞檢測和避免技術(shù)，但總的來說，飛行的物體比不飛行的物體有很大的優(yōu)勢。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 的使用現(xiàn)在已成為導(dǎo)航的同義詞，當(dāng)與地圖軟件一起使用時(shí)，它成為一種強(qiáng)大的組合。然而，眾所周知，GNSS 僅能精確到米以內(nèi)，而不是自主無人機(jī)所需的厘米，而自主無人機(jī)本身可能測量不到一米。對于某些應(yīng)用，例如檢查大型開放區(qū)域或數(shù)公里的地上油管，這可能是可以接受的。對于新興的無人機(jī)應(yīng)用，例如貨物交付，需要更高的準(zhǔn)確性。

如果沒有支持這種精度水平的基礎(chǔ)設(shè)施，自主設(shè)備將依靠機(jī)器視覺來幫助它們在現(xiàn)實(shí)世界中導(dǎo)航。但是，出現(xiàn)了一些解決方案，可以提供適合某些應(yīng)用的準(zhǔn)確度水平。他們采用差分 GNSS (DGNSS)，它使用基站提供的校正數(shù)據(jù)來改進(jìn)和校正由移動(dòng)物體（稱為流動(dòng)站）得出的定位數(shù)據(jù)。

該技術(shù)被稱為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué) (RTK)，并由海事服務(wù)無線電技術(shù)委員會 (RTCM) 定義的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋。它依賴于基站和流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)通信通道，最常用于高端測量設(shè)備。然而，該技術(shù)開始在定位為大眾市場解決方案的模塊中提供。一個(gè)例子是 u-blox 的 GNSS 定位模塊，包括NEO-M8P-0和NEO-M8P-2模塊，旨在分別啟用流動(dòng)站和基站。

該公司表示，這些模塊的設(shè)計(jì)總體上可以滿足無人駕駛車輛的需求，但包括使其特別適合無人機(jī)的功能，例如移動(dòng)基線模式；使基站能夠像流動(dòng)站一樣移動(dòng)的功能。例如，這可能與從更大、更傳統(tǒng)的為社區(qū)服務(wù)的送貨車輛發(fā)射和返回的送貨無人機(jī)有關(guān)。

這些模塊基于 u-blox M8 GNSS 接收器，兼容 GPS、GLONASS 和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，能夠同時(shí)使用 GPS 和 GLONASS 或北斗，提供更快的首次定位時(shí)間。但是，u-blox 指出，如果 RTK 更新率很關(guān)鍵，那么它們應(yīng)該只在 GPS 模式下使用。圖 7 說明了這些模塊的操作方式。

圖 7：使用 u-blox NEO-M8P 模塊創(chuàng)建具有厘米精度定位的 DGNSS 解決方案。

基站向流動(dòng)站提供 RTCM 3 消息流（參考站參數(shù)）。然后，流動(dòng)站必須解決載波相位模糊問題，此時(shí)它可以進(jìn)入 RTK 固定模式并開始獲得厘米精度的定位數(shù)據(jù)。根據(jù) u-blox 的說法，這個(gè)過程通常需要不到 60 秒的時(shí)間，稱為收斂時(shí)間。只有當(dāng)接收機(jī)能看到至少六顆連續(xù)鎖相衛(wèi)星時(shí)，流動(dòng)站才會進(jìn)入 RTK 固定模式；如果與 GLONASS 系統(tǒng)同時(shí)工作，它需要至少兩顆來自第二個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星才能看到，而北斗則增加到三顆。

在 RTK 模式下運(yùn)行時(shí)，相對于基站位置報(bào)告流動(dòng)站的位置。因此，流動(dòng)站的絕對位置將參考基站的絕對位置，以及流動(dòng)站相對于它的位置。這也適用于無人機(jī)需要返回充電站為電池充電的應(yīng)用。當(dāng)基站工作在移動(dòng)基線模式時(shí)，其絕對位置不再固定。然而，流動(dòng)站仍然可以保持相對于它的厘米精確定位，例如，當(dāng)無人機(jī)在“跟隨我”模式下運(yùn)行時(shí)，這是適用的。隨著 DGNSS 定位的引入，全自動(dòng)無人機(jī)的概念真正開始形成。

結(jié)論

自主性和穩(wěn)定性將是未來無人機(jī)的關(guān)鍵特征。隨著基于 FOC 的電機(jī)控制和 DGNSS 等技術(shù)變得更加集成，無人機(jī)的快速和持續(xù)發(fā)展是有保證的。此類預(yù)集成解決方案的可用性使開發(fā)先進(jìn)無人機(jī)的過程更加簡單，為熱衷于利用令人興奮的新可能性的原始設(shè)備制造商提供了機(jī)會。

審核編輯：符乾江