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無線模塊擴展:無線模塊在無人機應用上的技術分析

來源: 作者: 發布日期:2016-09-01 09:24:07 加入收藏 關注:
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      如果說關于無線模塊2015有什么產品比較熱門,第一個能想到的大概就是無人機了。它已經迅速的成為市場上的熱門產品,甚至都沒有來得及細細研究就突然熱門起來。與固定翼無人機相比,多軸飛行器的飛行更加穩定,能在空中懸停。下面就由小編細細分析無人機在技術上面的文章。

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  飛控的大腦:微控制器

 

  在四軸飛行器的飛控主板上,需要用到的無線模塊芯片并不多。目前的玩具級飛行器還只是簡單地在空中飛行或停留,只要能夠接收到遙控器發送過來的指令,控制四個馬達帶動槳翼,基本上就可以實現飛行或懸停的功能。意法半導體高級市場工程師介紹,無人機/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調/馬達控制、飛機姿態控制以及云臺控制等。目前主流的電調控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

 

  新唐的MCU負責人表示:多軸飛行器由遙控,飛控,動力系統,航拍等不同無線模塊構成,根據不同等級產品的需求,會采用到不同CPU內核。例如小四軸的飛行主控,因功能單純,體積小,必須同時整合遙控無線模塊接收,飛行控制及動力驅動功能;中高階多軸飛行器則采用內建DSP及浮點運算單元的,負責飛行主控功能,驅動無刷電機的電調(ESC)板則采用MINI5($1.0889)系列設計。低階遙控器使用SOP20封裝的4T8051N79E814;中高階遙控器則采用Cortex-M0M051系列。另外,內建ARM9H.264視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應用于2.4G5.8G的航拍系統。

 

  在飛控主板上,目前控制和處理用得最多的還是MCU而不是CPU。由于對于飛行控制方面主要都是浮點運算,簡單的ARMCortex-M4內核32MCU都可以很好的滿足。有的傳感器MEMS芯片中已經集成了DSP,與之搭配的話,更加簡單的8位單片機也可以做到。

 

  高通和英特爾推的飛控無線模塊主芯片

 

  CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器,他們采用了比微控制器(MCU)更為強大的CPU或是ARMCortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如,高通CES上展示的SnapdragonCargo無人機是基于高通Snapdragon芯片開發出來的飛行控制器,它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。IntelCEOBrianKrzanich也親自在CES上演示了他們的無人機。這款無人機采用了“RealSense”技術,能夠建起3D地圖和感知周圍環境,它可以像一只蝙蝠一樣飛行,能主動避免障礙物。英特爾的無人機是與一家德國工業無人機廠商AscendingTechnologies合作開發,內置了高達6個英特爾的“RealSense3D攝像頭,以及采用了四核的英特爾凌動(Atom)處理器的PCI-express定制卡,來處理距離遠近與傳感器的實時信息,以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強大功能的無人機,一是看好無人機的市場,二是美國即將推出相關法規,對無人機的飛行將有嚴格的管控。  

 

   多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機(馬達),用來驅動無人機的旋翼。而馬達驅動控制器就是用來控制無人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8MCU來做控制,但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

 

  多軸無人機的EMS/傳感器

 

  目前業內的玩具級飛行器,雖然大部分從三軸升級到了六軸MEMS,但通常采用的都是消費類產品如平板或手機上較常用的價格敏感型無線模塊型號。在專業航拍以及專為航模發燒友開發的中高端無人機上,則會用到質量更為價格更高的傳感器,以保障無人機更為穩定、安全的飛行。

 

  這些MEMS無線模塊傳感器主要用來實現飛行器的平穩控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停,可以做航拍,是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉角變化,在檢測到角度變化后,就可以控制電機向相反的方向轉動,進而達到穩定的效果。這是一個典型的閉環控制系統。 

 

  至于用MEMS傳感器測量角度變化,一般要選擇組合傳感器,既不能單純依賴加速度計,也不能單純依賴陀螺儀,這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度,要通過積分才能獲得角度,但是即使在零輸入狀態時,陀螺依然是有輸出的,它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加,受此影響,在積分的過程中,必然會引進累計誤差,積分時間越長,誤差就越大。這就需要加速度計來校正陀螺儀,因為加速度計可以利用力的分解原理,通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由于沒有積分誤差,所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態下,加速度計輸出的可信度就要下降,因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補濾波,結合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

在某些情況下,如果飛行器突然轉彎,可能會造成輸入轉速超過陀螺儀的測試量程,理想情況下,陀螺儀的輸出應該是飽和輸出,待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后,陀螺儀再正確反應實時的角速度變化,但有些陀螺儀確不是這樣,一旦輸入超過量程,陀螺便會產生震蕩輸出,給出完全錯誤的角速度。還有某些情況下,飛行器會受到較大的加速度沖擊,理想情況陀螺儀要盡量抑制這種沖擊,ADI的陀螺儀在設計的時候,也充分考慮到這種情況,利用雙核和四核的機械結構,采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊,準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產生非常大錯誤輸出,甚至是產生震蕩輸出。

 

因為無人機功能的不斷增加,更多的廠商都盯準了這塊領域,無線模塊特越來越多的被利用在了無人機上面,相信以后的無人機功能會越發的完善,功能也會越發的強大,適合購買。

 

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