多轴飞行器无人机硬体技术揭密

　　赵延辉说：“对于飞行器来说，最重要的一点就是安全，无论是硬体设计还是软体设计，都要先确保安全，而后才是极致的用户体验。ADI的MEMS感测器设计首先是保证在各种极端条件下的稳定性，然后再追求极致的指标。根据客户实测回馈，在飞行器错误作业，不小心掉落后，ADI的陀螺仪输出基本不会受任何影响，而其它某些陀螺仪会出现非常大零点偏移。ADI的加速度计在受到冲击后，也不会产生任何可靠性问题，而其它某些加速度计则会以很大机率出现完全无输出的现象。这些用户实测出来的差异，都得益于ADI MEMS感测器在设计时对各种极端情况的充分考虑。”

　　“未来飞行器上的MEMS产品也会朝整合化方向发展，如3轴加速度加上3轴陀螺仪的整合式产品，甚至是SoC，把处理器也整合进去，直接提供角度输出供后端处理器调用。由于飞行器的应用场景一般都是户外，客户势必会做全温范围内的温度补偿，而在出厂前就对MEMS产品做好了全温范围内的温补，或者是设计超级低温漂的感测器，都会是MEMS产品在这一领域的发展方向。”

　　陈一民认为，随着无人机的功能不断增加，越来越多的GPS感测器、红外线感测器、气压感测器、超音波感测器被应用于无人机。方案供应商已经在利用红外线和超音波感测器来开发可自动避撞的无人机，以满足将来相关法规的要求。整合GPS感测器的无人机则可实现一键返航功能，防止无人机飞行丢失。而内建GPS功能的无人机可以在软体中设置接近机场或航空限制的警示，避免误入管制区域。

　　无线控制与视讯传输

　　作为娱乐级的无人机，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等无线遥控技术即可满足传输需求。虽然433MHz频段穿透性强、通讯距离远，最远可传输达2公里，但由于其抗干扰能力弱，遥控无人机或飞行器上都不太采用。很多家晶片厂商均可提供2.4GHz或5.8GHz的无线射频晶片，一直以来多半都为遥控玩具厂商采用，可供选择的晶片较多。

　　多轴无人机由于可以非常稳定的飞行，在装载云台和相机后，可以在高空中拍摄视讯，并透过无线通讯(5.8G、WI-FI或LTE)即时传输到地面，其用途更加广泛。合泰半导体产品技术开发处/马达产品技术部专案处长潘健章认为，四轴空拍飞行器已经从少数的用途(交通监控、大气监控、城市规划、边境巡防、灾情监视、监测农业庄稼生长与病虫害情况、精准喷洒农药、边疆巡航、城市反恐等)，开始走向大众消费者(空拍)，成为一款智慧硬体商品。

　　目前博通公司(Broadcom)的Wi-Fi和蓝牙组合晶片已广泛应用于无人机上，在控制讯号传输和视讯传输上均有涉猎。应用于无人机上的WLAN晶片主要特性为同时维护视讯通道和控制通道的可靠性和稳定性。这些晶片拥有先进的接收架构、高接收灵敏度，以及各种先进的通道管理能力，其中就包括针对高速和抗噪连接的MIMO和双频技术。“博通的WICED 开发套件支援Linux、Android和基于RTOS的作业系统，”博通公司无线连接组合事业部产品资深行销总监Brian Bedrosia说。

　　在无人机的视讯传输方面，一般的做法是在云台搭载相机，高空拍摄再飞回地面检查。这种方式由于不能即时看到拍摄画面，所以还不能满足空拍的要求。陈一民介绍，目前有不少方案是采用5.8GHz频段传输类比视讯到地面，最远距离能达600多公尺。但这种方式需要在飞行器上将高解析(1,080P或4K)转码成720P，再转成数位讯号传输到遥控器显示幕上，技术上较复杂，画面品质不够好，而且会有马赛克、停顿或卡死的情形。

　　目前包括博通与高通等专业Wi-Fi晶片商都尚未开发出这种远距离无线传输高解析视讯的晶片。但随着无人机市场持续延烧，无线晶片厂商已在着手计划推出专用晶片了。“未来我们将会看到能同时与控制器和显示器建立链路的双模晶片组，”博通的Brian Bedrosian表示。

　　在专用晶片推出之前，一种采用软体定义无线电(SDR)的方法解决了无线远距离和高频宽传输的矛盾。在ADI公司的软体定义无线电技术问世之前，RF工程师可以透过分离元件实现远距离高频宽的无线传输，但是方案既复杂成本也很高，开发时间太长，不太适合用于消费性产品上。

　　ADI半导体资深客户应用经理章新明介绍，AD9561/64系列整合式RF收发器已经被大量应用到无人机了。“AD9561/64拥有高性能2x2I/Q收发器，可以实现 70MHz至6.0GHz可调频率范围，200kHz至56HHz频段，可为无人机轻松实现较远距离的高解析无线传输。”章新明说，“它同时还可以传输指令，无人机的无线传输可省去2.4GHz的RF收发IC。”

　　无人机仍面临技术挑战

　　虽然无人机前景被一致看好，但事实上无人机仍然面临很多技术上的难题，包括电池的续航瓶颈、更高效率的旋翼设计、远端的控制与通讯，以及在软体上如何更方便地操控与普及产品等。这些方面的技术挑战，随着众多公司在无人机上的研发不断投入都有可能解决，但还有一个现实的问题困扰着无人机，尤其是专业空拍级的无人机厂商。

　　专业空拍无人机定价高，而且还搭载着高阶的摄影机或相机。在使用过程中，哪怕是出现一次故障，造成无人机坠机，都会为消费者带来重大损失，甚至是地面人员的人身安全。无人机制造厂伟力玩具技术总监翟占超本人也是一位多年的模型飞机玩家，他认为造成无人机坠机的原因可归纳为两种：一是生产与安装过程中品管不足，出现机械方面的问题;另一种是讯号与软体演算法的问题。

　　翟占超表示，目前仍难以彻底解决无人机飞行器的‘坠机’问题。现在装配的问题比较容易发现并且避免，如调速器行程不一致、连线不够稳定、机身震动、结构装配不完整等，这些问题在飞机动作量大时很容易导致失控。最严重的是飞控自身存在的不稳定，将会不定时的出现运算错误，例如由于环境原因造成的磁场错乱、GPS讯号弱、遥控器失控以及电池突然没电等。因此，在飞行控制时必须考虑到发生这些情况时的安全处理。