無(wú)人直升機(jī)航拍是以遙感無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，利用高分辨相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利據(jù)的壓縮和自動(dòng)傳輸、 影像預(yù)處理等功能，可廣泛應(yīng)用于國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源勘探、土地利用調(diào)查、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、 ?自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、城市規(guī)劃與市政管理、公共安全、國(guó)防事業(yè)、數(shù)字地球等領(lǐng)域。

目前消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)以出口歐美發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)為主，整機(jī)必須通過(guò)CE、FCC的認(rèn)證才能獲得市場(chǎng)準(zhǔn)入資格；無(wú)人機(jī)多系統(tǒng)間的電磁兼容EMC（EMS+EMI）設(shè)計(jì)直接影響整機(jī)性能的穩(wěn)定性（包括圖像數(shù)據(jù)掉包、GSP定位、飛行距離控制等問(wèn)題 ）！其實(shí)，為了有效的抑制，解決電磁干擾問(wèn)題，世界各國(guó)政府紛紛制定了電磁兼容EMC規(guī)范，并納入強(qiáng)制執(zhí)行的項(xiàng)目中，使得各種電子產(chǎn)品或設(shè)備要上市銷售，就必須通過(guò)該國(guó)家承認(rèn)的電磁兼容規(guī)范，比如歐盟的CE認(rèn)證，美國(guó)的FCC,NEBC認(rèn)證，日本的VCCEI認(rèn)證，我國(guó)的3C認(rèn)證等，都是電子類產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)必須要取得的通行證。針對(duì)無(wú)人機(jī)這種機(jī)電結(jié)合的新型產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)有關(guān)部門也已開(kāi)始制定針對(duì)這種產(chǎn)品類別的相關(guān)的EMC測(cè)試認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

要做好無(wú)人機(jī)，強(qiáng)大的EMC設(shè)計(jì)能力是至關(guān)重要的，本文結(jié)合實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，從EMC設(shè)計(jì)的角度來(lái)解析無(wú)人機(jī)這一多系統(tǒng)集成的智能硬件產(chǎn)品！

一、無(wú)人機(jī)平臺(tái)架構(gòu)

1、無(wú)人機(jī)飛控架構(gòu)

無(wú)人機(jī)飛控架構(gòu)，如下圖所示。

2、無(wú)人機(jī)飛控

市面上曾經(jīng)出現(xiàn)的無(wú)人機(jī)飛控如下：

大疆飛控

零度飛控

MWC飛控

APM飛控

二、無(wú)人機(jī)EMI現(xiàn)狀及主要問(wèn)題

1、無(wú)人機(jī)EMI現(xiàn)狀

（1）EMI超標(biāo)導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)EMC認(rèn)證，從而導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法出口；

（2）EMI超標(biāo)影響無(wú)線傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)質(zhì)量（2.4G、5.8G)。

2、無(wú)人機(jī)主要的EMI問(wèn)題

（1）航拍頭的EMI問(wèn)題；

（2）飛控系統(tǒng)的時(shí)鐘及其倍頻；

（3）馬達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的EMI問(wèn)題；

（4）電源引起的輻射發(fā)射抑制。

三、無(wú)人機(jī)的EMC問(wèn)題

下面以一臺(tái)小型電驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)為例，說(shuō)說(shuō)有關(guān)的EMC問(wèn)題，還會(huì)實(shí)測(cè)一下其基本的用電單元的近場(chǎng)的電磁干擾的情況。

圖1：無(wú)人機(jī)的主要組成??

1、無(wú)人機(jī)的電磁干擾（EMI）

電磁干擾分為輻射型EMI和傳導(dǎo)型EMI兩大類，傳導(dǎo)型干擾通常指的是低頻段的干擾，干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)從一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)；輻射型干擾通常指的是高頻段的干擾，通過(guò)輻射電磁波的形式進(jìn)行傳播。

對(duì)于交流供電的電子電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，相關(guān)的傳導(dǎo)型的EMI測(cè)試規(guī)范規(guī)定了被測(cè)電子設(shè)備通過(guò)供電線對(duì)交流電網(wǎng)的傳導(dǎo)的電磁輻射的限值，目的是為了防止用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染，影響接到電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備的工作。而對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)講，使用的是機(jī)載電池供電，無(wú)人機(jī)上的各種電路單元之間的供電和各種信號(hào)會(huì)通過(guò)導(dǎo)線相連在一起，尤其是電驅(qū)單元工作時(shí)是否會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)對(duì)無(wú)人機(jī)上的其他單元產(chǎn)生影響，要看具體情況。在有些無(wú)人機(jī)上還會(huì)搭載圖像傳輸設(shè)備，為了發(fā)射信號(hào)，射頻發(fā)射機(jī)通過(guò)天線會(huì)在一定頻段以一定功率產(chǎn)生電磁輻射。在無(wú)人機(jī)的各種電路板上，各種高頻信號(hào)走線、集成電路的引腳、各類接插件等也都可能會(huì)成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并有可能會(huì)影響到周圍其他電路系統(tǒng)或本電路系統(tǒng)內(nèi)的其他子電路系統(tǒng)的正常工作。所以，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，對(duì)于機(jī)上各用電單元，我們不妨先采用近場(chǎng)測(cè)試，把它們都各自先掃一遍，摸清各單元的輻射型的電磁干擾的情況。

2、無(wú)人機(jī)的EMI的近場(chǎng)測(cè)試?

針對(duì)電磁輻射型的EMI干擾的測(cè)試分為近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試兩種。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試要在專業(yè)的微波暗室里進(jìn)行，通過(guò)專用的接收天線和接收機(jī)測(cè)量相聚一段距離的整個(gè)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射的大小。而對(duì)于無(wú)人機(jī)本身來(lái)講，機(jī)上的電路距離很近，它們之間有可能會(huì)產(chǎn)生相互影響，所以近場(chǎng)測(cè)試在研發(fā)階段和故障診斷階段是非常重要。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試能給出測(cè)試是否通過(guò)，如果沒(méi)通過(guò)，在哪些頻點(diǎn)輻射超標(biāo)了，但是沒(méi)有位置信息。通過(guò)近場(chǎng)測(cè)量可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的定位，可以精確定位到哪個(gè)器件，哪個(gè)芯片的引腳，哪根走線，從而判定干擾產(chǎn)生的原因，根據(jù)情況采取改進(jìn)措施。

EMI近場(chǎng)測(cè)試常用到的儀器設(shè)備是頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭，如圖2所示。

接下來(lái)，就利用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭針對(duì)某款無(wú)人機(jī)上的飛行控制板，電子調(diào)速板，無(wú)刷電機(jī)這幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行一些近場(chǎng)EMI的測(cè)試。

3、無(wú)人機(jī)飛控板的近場(chǎng)EMI實(shí)測(cè)

飛控板上的芯片比較多，彼此通過(guò)SPI、I2C以及并行的數(shù)字IO總線相連?？梢圆捎每讖竭m合的近場(chǎng)探頭對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行探測(cè)，看看它們各自產(chǎn)生的EMI大小。如圖3所示，首先測(cè)測(cè)在這款無(wú)人機(jī)的飛控板上的IMU, 型號(hào)是MPU-6000，這是個(gè)9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，在這個(gè)傳感器芯片上測(cè)到的EMI情況如圖4所示，很像是時(shí)鐘引起的。

圖3: 對(duì)飛控板進(jìn)行EMI的近場(chǎng)測(cè)試?

圖4:MPU-6000的近場(chǎng)EMI情況

這款飛控板上還采用了STM32F427 Cortex-M4處理器以及其他一些器件，可以按照以上的方法，依次探測(cè)每個(gè)器件的近場(chǎng)EMI情況。

四、案例分析

1、航拍頭的EMI問(wèn)題

（1）航拍頭架構(gòu)CCD（以SONY effio方案為例）

可能存在問(wèn)題：

（1）DSP與AFE之間交換的時(shí)鐘及倍頻；

（2）DSP輸出部分（output）的時(shí)鐘及倍頻。

處理方法：在DSP晶體上使用展頻IC。

（2）航拍頭架構(gòu)CMOS

可能存在的問(wèn)題：攝像頭MCLK、PCLK基頻和諧波引起的輻射超標(biāo)。

處理方法：在MCLK上增加展頻，可以有效的抑制攝像頭MCLK和PCLK的基頻和倍頻的超標(biāo)。

數(shù)據(jù)對(duì)比：

（3）應(yīng)用案例

問(wèn)題：SONY的DSP（CXD4191AGG）輸出時(shí)鐘74MHZ的倍頻。

增加展頻IC后的數(shù)據(jù)對(duì)比：

原始數(shù)據(jù)，單支多，超標(biāo)嚴(yán)重。

增加展頻后，整體下降明顯單支少。

2、飛控系統(tǒng)的時(shí)鐘及其倍頻

可能存在的問(wèn)題：主時(shí)鐘基頻以及倍頻時(shí)鐘輻射超標(biāo)。

處理方法：使用展頻IC。

增加展頻IC后的數(shù)據(jù)對(duì)比：

用展頻IC后， 整體下降明顯。

展頻IC前后的信號(hào)對(duì)比：

信號(hào)在加展頻后完整性很好。

展頻電路圖

3、馬達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的EMI問(wèn)題

可能存在的問(wèn)題：馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的噪聲干擾。

處理方法：在靠近馬達(dá)位置使用BDL濾波器。

使用BDL濾波器前后EMI對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)：

藍(lán)線是增加BDL后的數(shù)據(jù)，下降的非常明顯。

BDL（Balanced Dual-Line EMI Filter） EMI濾波器從1999年問(wèn)世和在美國(guó)注冊(cè)專利以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、軍事、航空、航天、醫(yī)療、消費(fèi)電子、連接器等的電磁兼容領(lǐng)域之中。雖然BDL的電原理圖和一般的EMI濾波器區(qū)別不大，它不過(guò)是由兩個(gè)Y電容和一個(gè)X電容構(gòu)成的一般EMI濾波器而已，見(jiàn)圖1a)所示。如果進(jìn)一步觀察它具有結(jié)構(gòu)特征的電理圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的與眾不同之處，見(jiàn)圖1b)。

它具有如下特征：

1. 具備標(biāo)準(zhǔn)旁路電容的一切功能。

2. 增設(shè)兩個(gè)并聯(lián)的參考電極G1、G2，他們包圍和分離電容的兩個(gè)電極后構(gòu)成法拉第屏蔽籠，或構(gòu)成同軸線結(jié)構(gòu)方式，這種電極配置方式是任何BDL組件所必需的。

3. 以上結(jié)構(gòu)特征把原本不平衡的一個(gè)單端組件創(chuàng)造性地改造成為一個(gè)雙端平衡組件，即改造成為由兩個(gè)標(biāo)稱值完全相等的電容組成。

4. 電容的兩個(gè)電極和參考電極G1、G2的結(jié)構(gòu)尺寸遵循20H設(shè)計(jì)原則，使向外的電磁輻射減小70%。

5. 以上結(jié)構(gòu)特征使BDL的ESR、ESL降到最低。

6. BDL平衡組件還具有以下特點(diǎn)：（1）線—地電容匹配（不平衡度在1～2.5以內(nèi)）。（2）對(duì)溫度變化具有對(duì)消作用。（3）對(duì)電壓變化具有對(duì)消作用。（4）對(duì)兩個(gè)電極具有同等老化的作用。

4、電源引起的輻射發(fā)射抑制

可能出現(xiàn)的問(wèn)題：板與板之間地勢(shì)不平衡，引起的共模干擾。

處理方法：使用專用高頻濾波器隔離。

大電流共模電感與傳統(tǒng)共模電感的阻抗特性對(duì)比圖如下：

測(cè)試效果對(duì)比圖：

對(duì)通過(guò)電源線放大引起的發(fā)射超標(biāo)頻段抑制效果明顯。

編輯：黃飛

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