? ? ? ? 據(jù)一些人說，無人駕駛飛機(jī)(UAV)的商業(yè)意義，或無人駕駛飛機(jī)，因?yàn)樗麄兏鼮槿怂?#xff0c;可能和互聯(lián)網(wǎng)一樣重要。高調(diào)的應(yīng)用如航空攝影和錄像，這在很大程度上被民主化的無人機(jī)，有群眾訴求和相應(yīng)的高容量。更為深奧的用途包括農(nóng)業(yè)管理，在醫(yī)療應(yīng)用中，它們的使用預(yù)計(jì)會增加。

　　“無人機(jī)作為一種服務(wù)”的概念已經(jīng)出現(xiàn)，因?yàn)楣緸槠髽I(yè)提供了一個(gè)交鑰匙解決方案。澄清圍繞立法可以說是幫助而不是阻礙了新興產(chǎn)業(yè)，雖然整體的有效載荷的限制，但他們的優(yōu)勢是有保證。亞馬遜和臉譜網(wǎng)等大型組織正在積極開發(fā)利用無人駕駛飛機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)送貨物和互聯(lián)網(wǎng)連接的計(jì)劃。

　　這些新出現(xiàn)的應(yīng)用將越來越依賴自主性，因此，無人機(jī)可能成為完全融入社會的真正自主車輛的第一種形式。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)，如家庭監(jiān)控?zé)o人駕駛飛機(jī)，可以自主導(dǎo)航建筑物的周邊時(shí)，檢測到的運(yùn)動，并轉(zhuǎn)播它看到的房主在互聯(lián)網(wǎng)上。

　　作為無人駕駛，無人機(jī)也不受限制;緊湊的系統(tǒng)，包括電源、處理、和有效載荷。為了真正有用，即使在危險(xiǎn)多變的天氣條件下，它們也必須保持穩(wěn)定和高效。為了盡可能長時(shí)間地在一次充電中運(yùn)行，他們不可避免地需要能夠自己充電以便能夠重新充電，使他們幾乎無限期地自主操作。這一級別的精確控制和導(dǎo)航正在創(chuàng)造對新技術(shù)的需求，并強(qiáng)調(diào)了兩項(xiàng)最關(guān)鍵的特性：馬達(dá)控制和導(dǎo)航。

　　電子速度控制

　　作為一個(gè)系統(tǒng)，無人機(jī)可以用飛行控制器、電子調(diào)速器、蓄電池和有效載荷等功能元件來描述。ESC是獨(dú)立的，但仍然由飛行控制器管理。這主要是因?yàn)樗且环N從專用解決方案中獲益的復(fù)雜函數(shù)。

　　ESC負(fù)責(zé)控制每個(gè)電動機(jī)的速度，因此，每個(gè)電動機(jī)通常有一個(gè)專用ESC。為了協(xié)調(diào)它們的操作，所有ESCs必須能夠通過飛行控制器直接或間接地相互通信;在一個(gè)典型的無人機(jī)中，可能有四個(gè)胚胎干細(xì)胞和四個(gè)馬達(dá)。ESC已經(jīng)成為一個(gè)卓越的領(lǐng)域，經(jīng)常被作為一個(gè)完整的子系統(tǒng)呈現(xiàn)，可以很容易地集成，并且現(xiàn)在有一個(gè)小但越來越多的ESC解決方案。

　　由于無人機(jī)技術(shù)的穩(wěn)定性和效率是至關(guān)重要的，因此控制馬達(dá)的方式對無人駕駛飛機(jī)的操作至關(guān)重要。的方法，許多ESC供應(yīng)商采用磁場定向控制(FOC)，一個(gè)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩技術(shù)，通過它，速度。實(shí)施的時(shí)候，FOC提供加速度快速變化而不引入不穩(wěn)定，使無人機(jī)的同時(shí)最大化效率執(zhí)行復(fù)雜的動作。驅(qū)動矢量的快速計(jì)算是至關(guān)重要的矢量控制，這就是為什么它已成為針對電機(jī)控制一般微控制器供應(yīng)商的關(guān)注，特別是與胚胎干細(xì)胞。

　　無人駕駛飛機(jī)最受歡迎的電機(jī)形式是無刷直流電動機(jī)，因?yàn)樗w積小，成本相對較低，而且經(jīng)久耐用。為了進(jìn)一步降低材料清單，無人機(jī)制造商通常采用無傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也就是說，電機(jī)的位置是通過監(jiān)測電動機(jī)的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來確定的。通過矢量控制算法的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制是復(fù)雜的，而另一個(gè)原因是交鑰匙解決方案已開始從領(lǐng)先的單片機(jī)廠商嶄露頭角。

　　一個(gè)例子是steval-esc001v1電子調(diào)速控制器(ESC)從意法半導(dǎo)體，它匯集了意法半導(dǎo)體的stm32f303cbt7單片機(jī)及其l6398驅(qū)動器和功率MOSFET stl160ns3llh7電機(jī)控制SDK。它們共同構(gòu)成驅(qū)動三相無刷電機(jī)完整的解決方案，無論是無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)(永磁同步電機(jī)的無速度傳感器矢量控制算法)使用。功率MOSFET溝道30 V，160的STripFET H7設(shè)備。該設(shè)計(jì)可以提供最大的RMS電流為20 A，這足以驅(qū)動專業(yè)無人駕駛飛機(jī)使用的電機(jī)。圖1顯示了解決方案的框圖。

　　STMicroelectronics指出，免費(fèi)使用，而不是一個(gè)梯形控制算法中使用的一些ESCs，提供更好的扭矩控制，而實(shí)現(xiàn)它提供還提供了主動制動和減速時(shí)的能量回收。

　　意法半導(dǎo)體的steval-esc001v1電子速度控制方案框圖

　　圖1：意法半導(dǎo)體的steval-esc001v1電子速度控制解決方案基于磁場定向控制的框圖，這是開發(fā)無人機(jī)。

　　填充板的尺寸小于30毫米，60毫米，如圖2(頂部)和圖3(底部側(cè))所示，突出顯示關(guān)鍵功能部件。

　　意法半導(dǎo)體steval-esc001v1圖像(頂部)

　　圖2：這steval-esc001v1(頂部)。

　　意法半導(dǎo)體steval-esc001v1圖像(底部)

　　圖3：這steval-esc001v1(底部)。

　　評估板是使用ST程序/編程器來編程的，固件可以使用ST電機(jī)控制工作臺配置(可以使用MC Workbench的簡短視頻介紹)。使用這個(gè)軟件和評估板，工程師可以配置電機(jī)和編譯所需的驅(qū)動電機(jī)的固件。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的每個(gè)相位的信號由電路板計(jì)算和應(yīng)用時(shí)，用PWM信號來設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖4所示，在1060至1860微米之間的脈沖被用來將馬達(dá)速度設(shè)置在最小值和最大值之間。

　　用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的pwm信號圖

　　圖4：用來調(diào)節(jié)的steval-esc001v1控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號。

　　ESC的參考設(shè)計(jì)

　　一般來說，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，尤其是那些具有強(qiáng)大的微控制器組合的應(yīng)用領(lǐng)域。這包括德克薩斯儀器，已開發(fā)和產(chǎn)品化的解決方案，提供一個(gè)免費(fèi)預(yù)裝在選擇Piccolo MCUs的ROM和通過API。

　　如果沒有傳感器來提供關(guān)于電動機(jī)位置的反饋，那么選擇的方式是在開環(huán)配置中運(yùn)行電動機(jī)或使用其他形式的反饋。需要注意的是，閉環(huán)配置提供了更大的控制，并導(dǎo)致更好的整體性能。提供閉環(huán)操作所需的反饋屬于一個(gè)稱為觀測器的專用固件函數(shù)，它利用電機(jī)繞組中產(chǎn)生的反電勢來估計(jì)其位置。由于這個(gè)原因，固件也稱為估計(jì)器。

　　在TI的解決方案，估計(jì)固件被稱為InstaSPIN快，即流量、角度、速度和轉(zhuǎn)矩。快速被描述為一個(gè)通用的三相電機(jī)軟件編碼器，能夠工作在一系列的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括同步和異步直流和交流電機(jī)。它是由FOC轉(zhuǎn)矩控制器軟件，InstaSPIN-FOC，形成鈦的motorware軟件包的一部分;一個(gè)免費(fèi)使用，免費(fèi)下載的解決方案。然而，該解決方案的一部分是專有的，只提供基于ROM的代碼支持MCU;而InstaSPIN-FOC可執(zhí)行從RAM或閃存，快速算法必須執(zhí)行從羅

　　高速無傳感器矢量參考設(shè)計(jì)無人機(jī)的胚胎干細(xì)胞從德克薩斯儀器提供了一個(gè)簡單的方法來評估InstaSPIN技術(shù)。它是基于C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發(fā)板(圖5)和drv8305evm三相電機(jī)驅(qū)動器BoosterPack評價(jià)模塊(圖6)。

　　德克薩斯儀器C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發(fā)板的圖像

　　圖5：C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發(fā)板（圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體）。

　　德克薩斯儀器drv8305evm三相電機(jī)驅(qū)動器BoosterPack評價(jià)模塊的圖像

　　圖6：這drv8305evm三相電機(jī)驅(qū)動器BoosterPack評價(jià)模塊（圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體）。

　　在這樣一個(gè)競爭激烈的環(huán)境中，與易用性相匹配的性能往往是非常有說服力的理由來選擇一種特定的解決方案，在這方面TI已竭盡全力從競爭中脫穎而出。例如，控制算法需要了解控制電機(jī)的某些參數(shù)，但TI堅(jiān)持認(rèn)為，它的解決方案需要提供較少的電機(jī)參數(shù)，即不需要數(shù)據(jù)表。此外，一旦電機(jī)已被確定，該InstaSPIN-FOC和快速的解決方案不需要調(diào)整，不像大多數(shù)其他的解決方案。

　　估計(jì)的準(zhǔn)確性是另一個(gè)重要的參數(shù)，在這里，TI說，它的解決方案可以開始跟蹤在一個(gè)電周期，可以保持在低于1赫茲的精度;其他解決方案通常只在5赫茲以上的頻率準(zhǔn)確，并可能在高頻率妥協(xié)。這些好處還意味著，TI的解決方案可以提供100%扭矩啟動，完全穩(wěn)定在零速度。

　　開發(fā)平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現(xiàn)在可以更容易地開始使用無人機(jī)設(shè)計(jì)。TI認(rèn)為，其解決方案可以啟動和運(yùn)行在兩分鐘，強(qiáng)調(diào)先進(jìn)的矢量控制方案已經(jīng)在很短的時(shí)間內(nèi)。然而，導(dǎo)航也不一定如此，但它正在迅速發(fā)展，而且很快就會有解決方案，可以為所有種類的無人車輛提供完全自主導(dǎo)航。

　　差分GNSS

　　導(dǎo)航主要是復(fù)雜的一件事：障礙。沒有任何障礙可以避免，汽車已經(jīng)是自駕車，但事實(shí)是，從A點(diǎn)到B點(diǎn)將是簡單得多，如果它是一條直線，沒有任何之間的。幸運(yùn)的是，在天空中，這是常有的事。出于這個(gè)原因，自主無人駕駛飛機(jī)很可能比后來的時(shí)間更常見。當(dāng)然，仍然需要考慮碰撞檢測和避障技術(shù)，但總的來說，飛的物體比不飛的物體有很大的優(yōu)勢。

　　全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的使用現(xiàn)在是導(dǎo)航的同義詞，當(dāng)與地圖軟件一起使用時(shí)，它將成為一個(gè)強(qiáng)大的組合。然而，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是眾所周知的，只有精確到米內(nèi)，而不是厘米，這是必要的自主無人駕駛飛機(jī)，可能本身測量不到一米。對于某些應(yīng)用，如大面積露天或多公里地面石油管道的檢查，這是可以接受的。對于新出現(xiàn)的無人駕駛飛機(jī)應(yīng)用，如貨物交付，將需要更高的精確度。

　　如果沒有支持這種精確度的基礎(chǔ)設(shè)施，自主設(shè)備將依靠機(jī)器視覺幫助他們導(dǎo)航真實(shí)世界。然而，出現(xiàn)了一些解決方案，提供了與某些應(yīng)用程序相適應(yīng)的精確度。他們采用差分GNSS(DGPS)，采用修正的數(shù)據(jù)由一個(gè)基站的完善和正確定位數(shù)據(jù)通過移動對象派生，簡稱虎。

　　該技術(shù)被稱為實(shí)時(shí)動態(tài)(RTK)和被國際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)組織的海事服務(wù)無線電技術(shù)委員會(RTCM)定義。它依賴于基站與漫游者之間的實(shí)時(shí)通信通道，最常用于高端測量設(shè)備。然而，該技術(shù)正開始在以大眾市場解決方案為定位的模塊中實(shí)現(xiàn)。一個(gè)例子是從u-blox GNSS定位模塊，包括neo-m8p-0和neo-m8p-2模塊，旨在使探測器和基站，分別。

　　該公司聲稱，這些模塊的設(shè)計(jì)是為了滿足一般無人駕駛車輛的需求，但包括使它們特別適用于無人機(jī)的特性，如移動基線模式;使基站能夠移動以及漫游者的功能。這可能與運(yùn)載式無人駕駛飛機(jī)有關(guān)，它將從一個(gè)更大、更傳統(tǒng)的運(yùn)載工具向鄰近地區(qū)發(fā)射。

　　該模塊是基于u-blox M8 GNSS接收機(jī)，并與GPS兼容，GLONASS和BeiDou衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，并且能夠使用GPS和GLONASS和北斗的同時(shí)，提供更快的首次定位時(shí)間。然而，u-blox指出如果RTK的更新速度是至關(guān)重要的，那么他們應(yīng)該只使用GPS模式。圖7說明了模塊是如何操作的。

　　u-blox的neo-m8p模塊創(chuàng)建一個(gè)差分求解圖像

　　圖7：采用了u-blox neo-m8p模塊來創(chuàng)建一個(gè)差分求解厘米級定位精度。

　　基站供應(yīng)車一股RTCM 3消息(參考站參數(shù))。然后，探測器必須解決載波相位模糊，此時(shí)它可以進(jìn)入RTK固定模式，并開始實(shí)現(xiàn)厘米精確定位數(shù)據(jù)。根據(jù)u-blox，這個(gè)過程一般不超過60秒，被稱為收斂時(shí)間。月球車將進(jìn)入RTK固定模式時(shí)，接收機(jī)具有能見度至少六顆衛(wèi)星的連續(xù)相鎖;如果與GLONASS系統(tǒng)同時(shí)工作，它需要從第二系統(tǒng)的至少兩個(gè)衛(wèi)星是可見的，并與BeiDou增加至三。

　　當(dāng)在RTK模式下運(yùn)行時(shí)，漫游者的位置相對于基站位置報(bào)告。因此，月球車的絕對位置將參照基站的絕對位置和月球車相對于它的位置。這也適用于無人駕駛飛機(jī)需要返回充電站以充電的相關(guān)應(yīng)用。當(dāng)基站在移動基線模式下工作時(shí)，其絕對位置不再固定。然而，漫游者仍然可以保持厘米精確的定位相對于它，這是適用于當(dāng)無人駕駛飛機(jī)是在“跟隨我”模式，例如。隨著差分定位的介紹，完全自主的無人機(jī)概念確實(shí)開始形成。

　　結(jié)論

　　自主和穩(wěn)定將是明天無人駕駛飛機(jī)的主要特點(diǎn)。如FOC的電機(jī)控制和差分成為更綜合的技術(shù)，無人機(jī)的快速和持續(xù)的發(fā)展是有保證的。像這里所提供的預(yù)集成解決方案的可用性使先進(jìn)無人機(jī)的開發(fā)過程變得更簡單，為原始設(shè)備制造商提供了利用激動人心的新可能性的機(jī)會。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的无人机设计中的下一个进化步骤的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。