摘 要：隨著智能化和信息化工業(yè)的發(fā)展,人們對無人機的應(yīng)用越來越廣泛,需求日益增加。控制模塊是無人機的核心組成部分,其硬件方案的優(yōu)劣在很大程度上決定了無人機飛行的穩(wěn)定性。本文針對當前主流的主控芯片,無人機硬件方面的發(fā)展,以及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)做出總結(jié)和論述,對未來無人機控制模塊的硬件研發(fā)具有一定的參考價值。

無人機的概念可定義為利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱,或由車載計算機等地面站完全或間歇地自主操作的“空中機器人”[1]。當今,無人機技術(shù)高速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。鑒于其可以規(guī)避人體健康問題,便于執(zhí)行危險、污染等惡劣環(huán)境下的任務(wù),并且反應(yīng)迅速,能傳輸實時影像等優(yōu)點,無人機不僅大程度應(yīng)用于植保、電力和油氣管道巡檢等用途,還受到京東物流、順豐快遞等物流企業(yè)的青睞。無人機的發(fā)展迅速,且潛力巨大,一旦市場成熟將更具有競爭力。然而,隨著技術(shù)的提高,無人機對自身結(jié)構(gòu)、功能、硬件模塊的要求也日益增高。本文將重點分析無人機的核心——控制模塊的硬件方案,對無人機的進一步研究提供一定的技術(shù)參考。

1 無人機的基本構(gòu)造及控制模塊的關(guān)鍵性

無人機是自動化專業(yè)極具代表性的新時代終端產(chǎn)品,融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)和智能控制技術(shù)等前沿科技。完整的無人機系統(tǒng)一般由飛行器平臺、機載任務(wù)設(shè)備和地面系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。其中,飛行器平臺由機體、飛控、導(dǎo)航、電氣、動力和通信系統(tǒng)等構(gòu)成;機載任務(wù)設(shè)備一般包括任務(wù)傳感器、攝像系統(tǒng)或其它各類行業(yè)設(shè)備等;地面系統(tǒng)則包括起降裝置、地面控制站以及檢測保障設(shè)備等[2]。

喬十二郎道：“這會兒才知道痛。一開始是麻，隨后是燙，眼下才開始痛。不用擔心，痛得不厲害?！币娗罔F崖過來，不等他發(fā)問，向他笑道：“沒事，我看了一下，大拇指、食指都還在，能吃飯，能干活。”

從產(chǎn)品角度來說,一臺完整的無人機包括機架、螺旋槳、飛行控制系統(tǒng)、電機和遙控模塊等幾大部分。其中,飛控系統(tǒng)為無人機自主調(diào)整姿態(tài)、平穩(wěn)飛行、執(zhí)行特定任務(wù)的核心控制裝置,也是區(qū)別于普通航空模型的重要標志。飛控模塊的主要功能為：利用慣性測量單元(IM U)獲得的自身系統(tǒng)的實時加速度等原始數(shù)據(jù),算出當前系統(tǒng)姿態(tài),通過無線模塊接收的控制信號得到希望達到的目標姿態(tài),再根據(jù)目標姿態(tài)和當前姿態(tài)的差值調(diào)整飛行器飛行的一系列復(fù)雜操作。其核心思想在于縮小當前姿態(tài)和目標姿態(tài)之間的差值,即P I D控制算法。在無人機的飛行過程中,其姿態(tài)的調(diào)整就是通過飛控模塊的不斷調(diào)節(jié)所實現(xiàn)的。因此,飛行控制系統(tǒng)的優(yōu)劣,直接決定了無人機的飛行品質(zhì)和運行穩(wěn)定性。

無人機現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大型賽事的航拍,但其安全性問題卻依然屢屢發(fā)生,在某中學(xué)運動會上就曾發(fā)生航拍無人機“炸機”事件,導(dǎo)致兩人受傷,其中一人眼角膜脫落傷勢嚴重,因此控制系統(tǒng)的改良和發(fā)展刻不容緩。

2 三大前沿的硬件方案 2.1 意法半導(dǎo)體STM32系列

意法半導(dǎo)體S T M 32系列是目前國內(nèi)廣泛采用的無人機主控芯片,其當前主流產(chǎn)品STM32F4在無人機中應(yīng)用較為廣泛,大疆精靈系列產(chǎn)品的飛控芯片就采用了S7M32F4芯片。基于S T M 32設(shè)計的四軸飛行器,采用了動態(tài)功耗調(diào)整功能,通過閃存執(zhí)行時的電流消耗也大為降低,擁有與普通飛行器相比結(jié)構(gòu)簡單、故障率低和單位體積能夠產(chǎn)生更大升力的優(yōu)點,具有很大應(yīng)用前景[3]。

2.2 高通驍龍無人機平臺

“驍龍Flight”是一款專門針對消費級無人機和機器人應(yīng)用而設(shè)計的高度優(yōu)化的開發(fā)板。支持G P S、4 K視頻拍攝,具有強勁的連接性,支持雙通道Wi-Fi和藍牙模塊、實時飛行控制系統(tǒng)、快速充電技術(shù)。其優(yōu)勢在于將攝影,導(dǎo)航和通信技術(shù)集合在一個緊湊而高效的封裝中,有助于減少使用該開發(fā)板的無人機尺寸、重量和功耗,從而支持更長的飛行時間,具有較高的安全性和易于使用的外形尺寸。此外,驍龍Flight平臺具有先進的處理能力、經(jīng)過優(yōu)化的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和尖端的移動技術(shù)。驍龍飛行平臺應(yīng)用了高通技術(shù)強大的計算機視覺專業(yè)技術(shù),可用于無人機自動避障,智能跟蹤人或物體,從而實現(xiàn)無人機移動跟拍等新形式的航拍功能。

不僅如此，需要正確設(shè)置納稅人的生計費用扣除標準，而且需要設(shè)置全面的其他生活方面的扣除標準，之后按照每年的通貨膨脹率和物價水平、收入水平這些綜合因素來調(diào)整整體的綜合性，這樣可以保證普通納稅人的基本生活水平和物質(zhì)需求。而對個人所得稅中的凈所得繳稅而言，需要把扣除標準調(diào)整到小于或者是等于扣除的部分不征稅，而對那些超過的部分征收個人所得稅，這就可以使得納稅效果更加合理以及公平，能夠更加適應(yīng)納稅能力的持續(xù)提升。

2.3 英特爾無人機硬件方案

英特爾作為芯片商中的龍頭企業(yè),同樣開發(fā)了獨具特色的無人機平臺“Ready to fly”,該平臺以英特爾實感技術(shù)為創(chuàng)新點。近兩年英特爾主打的RealSense實感技術(shù)在體感游戲等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,其在無人機上的應(yīng)用可以說是智能無人機發(fā)展的另一個突破。無人機實感技術(shù)的硬件方案主要通過3 D攝像頭實現(xiàn)。3 D攝像頭分為兩種,一種是用于近距離拍攝且精度較高的前置3 D攝像頭,運用了“結(jié)構(gòu)光”原理;另一種為遠距離攝像頭,使用“主動立體成像原理”,模仿人眼的“視差”原理,通過打出一束紅外光,以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置,然后用三角定位原理來計算出3D圖像中的“深度”信息[4],從而實現(xiàn)較遠距離的目標識別。

3 發(fā)展趨勢和技術(shù)挑戰(zhàn) 3.1 控制模塊的硬件研發(fā)方向

通過總結(jié)目前控制模塊的硬件方案,本文將其研發(fā)方向總結(jié)為以下三點：

(1)小型化。現(xiàn)在芯片工藝追求更高精度,更小體積。例如英特爾14nm級芯片和高通公司用于無人機的801系列芯片,芯片上的組件排布極其緊密,不僅縮小體積便于安裝、攜帶,還大大減少了功耗,在無人機的設(shè)計制造中備受歡迎。

(2)高速化。為適應(yīng)各種特定功能,無人機控制模塊的運算速度和計算能力都必須不斷提高,因此對硬件芯片的主頻的要求就越來越高。高速化是硬件方案的一必要發(fā)展趨勢,對實現(xiàn)無人機的實時控制、自動避障等功能至關(guān)重要。

(3)高集成度。高集成度是指把更多的外設(shè)集成到一塊開發(fā)板上,在豐富功能的同時最大化地降低空間成本和功耗,更便捷,更高效。

在我國，第二軍醫(yī)大學(xué)吳孟超、王紅陽院士在國際上最早發(fā)表氫氣治療肝硬化的研究；第二軍醫(yī)大學(xué)夏照帆院士在國際上率先提出氫復(fù)蘇的概念；北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科學(xué)王忠誠院士發(fā)表氫氣治療腦外傷的研究論文；廣州醫(yī)學(xué)院鐘南山院士研究團隊加入氫氣醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，涉及領(lǐng)域包括：氫水對肝硬化的治療作用、氫氣復(fù)蘇的概念、氫氣治療腦外傷等。

3.2 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

技術(shù)要求的提高帶來了更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。芯片的小型化使芯片表面積減小,不易散熱,造成工作運行受阻,所以芯片體積和散熱之間的合理配置需進一步探究。另一方面,在追求小型化基礎(chǔ)上還需對芯片組件進行更加精密的改良。為執(zhí)行更多復(fù)雜任務(wù),在多核,多線程,同時執(zhí)行多個任務(wù)時,內(nèi)存的消耗會增加,并且需要內(nèi)存數(shù)據(jù)的同步。此外,芯片的控制運行需要進行數(shù)據(jù)共享,多核間應(yīng)可通信,而該方面的硬件方案以及無人機的并行控制方案尚不完備。

4 結(jié)語

無人機的發(fā)展在很大程度上受限于飛控系統(tǒng)的硬件升級,因此,對無人機控制模塊的硬件方案要求也會越來越高,本文從幾大芯片商的產(chǎn)品出發(fā),著重介紹了硬件方面的幾個前沿技術(shù)。目前,民用無人機處于高速發(fā)展的黃金時期,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機所引領(lǐng)的“智能科技”將逐漸涉及更多領(lǐng)域,更加貼近人們的生活。

參考文獻

[1] 陶于金,李沛峰.無人機系統(tǒng)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].航空制造技術(shù),2014, 464(20)：34-39.

[2] 裴錦華.民用無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)及其在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電信工程技術(shù)與標準化, 2017, 30(4)：1-6.

[3] 錢昊,許森, 陳友榮. 基于STM32F103的四旋翼無人機控制器設(shè)計[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2016(4)：6-10.

[4] 張西忱.無人機的避障技術(shù)及其應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用,2017,34(2)：66-68.

Abstract：With the development of intelligent and informatization industry, the application of UAV is more and more widely and the demand is increasing day by day. The control module is the core part of the UAV. The quality of its hardware scheme largely determines the flight stability of the UAV. This paper summarizes and expounds the current mainstream control chip, the development of UAV’s hardware and the technical challenges,which is valuable to the development of the hardware of UAV’s control module in the future