根據(jù)一些人的說法，無人駕駛飛行器（UAV）或無人駕駛飛機(jī)的商業(yè)意義可能與互聯(lián)網(wǎng)一樣重要。航空攝影和視頻攝影等高調(diào)應(yīng)用已經(jīng)在很大程度上被無人機(jī)民主化，具有巨大的吸引力和相應(yīng)的高容量。更多深奧的用途包括農(nóng)業(yè)管理，預(yù)計(jì)它們在醫(yī)療應(yīng)用中的使用將會增加。

由于公司為企業(yè)提供交鑰匙解決方案，“無人機(jī)即服務(wù)”的概念已經(jīng)出現(xiàn)。圍繞立法的澄清可以說有助于而不是阻礙新興產(chǎn)業(yè)，雖然限制了整體有效載荷，但它們的優(yōu)勢幾乎得到保證。像亞馬遜和Facebook這樣的大型組織正在積極開發(fā)程序，分別使用無人機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供貨物和互聯(lián)網(wǎng)連接。

這些新興應(yīng)用程序?qū)⒃絹碓揭蕾囉谧灾危虼?，無人機(jī)可以這是第一種完全融入社會的真正自動駕駛汽車。這是一個活躍的研究領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)系統(tǒng)，例如家庭監(jiān)控?zé)o人機(jī)，可以在檢測到移動時(shí)自動導(dǎo)航建筑物的周邊，并通過互聯(lián)網(wǎng)將其看到的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給房主。

以及無人駕駛，無人機(jī)也不受限制;緊湊型系統(tǒng)，包括電源，處理和有效負(fù)載。為了真正有用，即使在危險(xiǎn)和多變的天氣條件下，它們也需要穩(wěn)定和高效。除了在一次充電時(shí)盡可能長時(shí)間地操作之外，它們將不可避免地需要能夠自我?？恳员阍俪潆?，使得它們能夠幾乎無限地自動操作。這種精確的控制和導(dǎo)航水平正在創(chuàng)造對新技術(shù)的需求，并突出了無人機(jī)開發(fā)的兩個最關(guān)鍵的功能：電機(jī)控制和導(dǎo)航。

電子速度控制

作為一個系統(tǒng)無人機(jī)可以用功能元件來描述，包括飛行控制器，電子速度控制器（ESC），電池和有效載荷。 ESC與飛行控制器分開，但仍然由飛行控制器管理是相關(guān)的。這主要是因?yàn)樗且粋€復(fù)雜的功能，可以從專用的解決方案中受益。

ESC負(fù)責(zé)控制每個電機(jī)的速度，因此，每個電機(jī)通常都有一個專用的ESC。為了協(xié)調(diào)其操作，所有ESC必須能夠通過飛行控制器直接或間接地相互通信;在典型的無人機(jī)中，可能會有四個ESC和四個電機(jī)。 ESC已經(jīng)成為一個卓越的領(lǐng)域，通常作為一個易于集成的完整子系統(tǒng)提供，現(xiàn)在有少量但不斷增加的ESC解決方案。

因?yàn)榉€(wěn)定性和效率至關(guān)重要在無人機(jī)技術(shù)中，電機(jī)的控制方式是無人機(jī)操作的基礎(chǔ)。許多ESC提供商采用的方法是磁場定向控制（FOC），這是一種控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的技術(shù)，通過它控制速度。如果實(shí)施得當(dāng)，F(xiàn)OC可以在不引入不穩(wěn)定性的情況下實(shí)現(xiàn)加速度的快速變化，從而使無人機(jī)能夠在最大化效率的同時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的操作?？焖儆?jì)算驅(qū)動矢量在FOC中至關(guān)重要，這就是為什么它已經(jīng)成為一般針對電機(jī)控制的微控制器供應(yīng)商，特別是ESC的焦點(diǎn)。

今天無人機(jī)最受青睞的電機(jī)形式是無刷直流電機(jī)，由于其體積小，成本相對較低且經(jīng)久耐用。為了進(jìn)一步降低物料清單，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，通過監(jiān)控電機(jī)的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來確定電機(jī)的位置。通過FOC算法控制無傳感器BLDC電機(jī)非常復(fù)雜，這也是領(lǐng)先微控制器制造商開始提供交鑰匙解決方案的另一個原因。

STMicroelectronics的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器（ESC）就是一個例子，它將STMicroelectronics的STM32F303CBT7微控制器和電機(jī)控制SDK與其L6398驅(qū)動器和STL160NS3LLH7功率MOSFET結(jié)合在一起。它們共同構(gòu)成了使用無傳感器FOC算法驅(qū)動單個三相無刷電機(jī)（BLDC或PMSM（永磁同步電機(jī)））的完整解決方案。功率MOSFET為N溝道30 V，160 A STripFET H7器件。該設(shè)計(jì)可提供20 A的最大RMS電流，足以驅(qū)動專業(yè)無人機(jī)中使用的電機(jī)。圖1顯示了該解決方案的框圖。

意法半導(dǎo)體指出，使用FOC而不是某些ESC中使用的梯形控制算法可以提供更好的轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)它提供的實(shí)現(xiàn)也提供了減速期間的主動制動和能量恢復(fù)。

圖1：基于磁場定向控制的STMicroelectronics STEVAL-ESC001V1電子速度控制解決方案的框圖，這是為無人機(jī)開發(fā)的。

尺寸略小于30毫米×60毫米的填充板如圖2（頂側(cè)）和圖3（底側(cè)）所示，突出了關(guān)鍵的功能組件。

圖2：STEVAL-ESC001V1（頂部）。

圖3：STEVAL-ESC001V1（底部）。

使用ST-Link/V2編程器對評估板進(jìn)行編程，并使用ST電機(jī)控制工作臺配置固件（a有關(guān)使用MC工作臺的簡短視頻介紹可用）。使用該軟件和評估板，工程師可以分析電機(jī)并編譯驅(qū)動該電機(jī)所需的固件。雖然用于驅(qū)動電機(jī)每相的信號由電路板計(jì)算和應(yīng)用，但PWM信號用于設(shè)置電機(jī)的速度。如圖4所示，脈沖介于1060μs和1860μs之間，分別用于設(shè)置電機(jī)速度在最小值和最大值之間。

圖4：用于調(diào)節(jié)由STEVAL-ESC001V1控制的電機(jī)速度的PWM信號。

ESC參考設(shè)計(jì)

對于許多電機(jī)控制來說，電機(jī)控制一般來說是一個越來越重要的應(yīng)用領(lǐng)域半導(dǎo)體制造商，尤其是具有強(qiáng)大微控制器產(chǎn)品組合這包括德州儀器公司，該公司開發(fā)并產(chǎn)品化了一種FOC解決方案，該解決方案預(yù)先安裝在精選Piccolo MCU的ROM中，并通過API訪問。

沒有傳感器提供有關(guān)電機(jī)位置的反饋，選擇是以開環(huán)配置運(yùn)行電機(jī)或使用其他形式的反饋。應(yīng)該注意的是，閉環(huán)配置提供了更好的控制并且導(dǎo)致更好的整體性能。提供閉環(huán)操作所需的反饋屬于稱為觀察者的專用固件功能，其利用在電動機(jī)繞組中產(chǎn)生的反電動勢來估計(jì)其位置。因此，固件也稱為估算器。

在TI的解決方案中，估算器固件稱為InstaSPIN-FAST，它代表磁通，角度，速度和扭矩。 FAST被描述為通用三相電機(jī)軟件編碼器，能夠與各種電機(jī)實(shí)現(xiàn)一起使用，包括同步和異步直流和交流電機(jī)。它由FOC扭矩控制器軟件InstaSPIN-FOC補(bǔ)充，該軟件構(gòu)成了TI MotorWare軟件包的一部分;免費(fèi)使用，免費(fèi)下載解決方案。但是，該解決方案的FAST部分是專有的，僅在支持的MCU中作為基于ROM的代碼提供;雖然InstaSPIN-FOC可以從RAM或Flash執(zhí)行，但FAST算法必須始終從ROM執(zhí)行。

德州儀器的無人機(jī)ESC的高速無傳感器FOC參考設(shè)計(jì)提供了一種評估InstaSPIN技術(shù)的簡單方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開發(fā)板（圖5）和DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動BoosterPack評估模塊（圖6）。

圖p：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開發(fā)板。

圖6：DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動器BoosterPack評估模塊。

在這樣一個競爭激烈的空間中，性能與易用性相匹配通常是選擇特定解決方案的非常有說服力的理由，并且在這方面TI具有盡一切努力從競爭中脫穎而出。例如，控制算法需要了解與被控制的電機(jī)有關(guān)的某些參數(shù)，但TI堅(jiān)持認(rèn)為其解決方案需要提供更少的電機(jī)參數(shù)，以至于不需要數(shù)據(jù)表。此外，一旦識別出電機(jī)，InstaSPIN-FOC和FAST解決方案就不需要調(diào)整，這與大多數(shù)其他解決方案不同。

估算器運(yùn)行的準(zhǔn)確性是另一個關(guān)鍵參數(shù)，在此，TI表示它的解決方案可以在一個電氣周期內(nèi)開始跟蹤，并可以保持低于1 Hz的精度;其他解決方案通常僅在5 Hz以上的頻率下準(zhǔn)確，并且可能在高頻率下受損。這些優(yōu)勢還意味著TI的解決方案可在啟動時(shí)提供100％的扭矩，并在零速時(shí)完全穩(wěn)定。

開發(fā)平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現(xiàn)在可以更輕松地開始使用無人機(jī)設(shè)計(jì)。 TI表示，其解決方案可在兩分鐘內(nèi)啟動并運(yùn)行，突出了FOC解決方案在很短的時(shí)間內(nèi)取得的成就。然而，導(dǎo)航并不一定如此，但它正在迅速發(fā)展，并且很快就會有解決方案可以為各種類型的無人駕駛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)是自動駕駛，但事實(shí)是如果它是一條沒有任何東西的直線，從A點(diǎn)到B點(diǎn)會變得更加簡單。幸運(yùn)的是，在天空中，情況往往如此。出于這個原因，自主無人機(jī)很快就會變得司空見慣。當(dāng)然，仍然需要考慮碰撞檢測和避免技術(shù)，但一般來說，飛行的物體比沒有飛行的物體具有很大的優(yōu)勢。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的使用現(xiàn)在已成為導(dǎo)航的代名詞，當(dāng)與地圖軟件一起使用時(shí)，它將成為一種強(qiáng)大的組合。然而，眾所周知，GNSS僅精確到米內(nèi)，而不是自身無人機(jī)所需的厘米，而自主無人機(jī)本身可以測量不到一米。對于某些應(yīng)用，例如檢查大型開放區(qū)域或數(shù)公里的地下油管，這可能是可以接受的。對于新興的無人機(jī)應(yīng)用，例如貨物交付，將需要更高的準(zhǔn)確性。

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)器視覺來幫助他們駕馭現(xiàn)實(shí)世界。然而，出現(xiàn)了一些解決方案，它們提供了適合某些應(yīng)用的精確度。它們采用差分GNSS（DGNSS），它使用由基站提供的校正數(shù)據(jù)來改進(jìn)和校正由移動物體（稱為流動站）導(dǎo)出的定位數(shù)據(jù)。

該技術(shù)稱為實(shí)時(shí)運(yùn)動學(xué)（RTK）并由海事服務(wù)組織（RTCM）無線電技術(shù)委員會定義的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋。它依賴于基站和流動站之間的實(shí)時(shí)通信通道，最常用于高端測量設(shè)備。然而，該技術(shù)開始在作為大眾市場解決方案定位的模塊中提供。一個例子是來自u-blox的GNSS定位模塊，包括NEO-M8P-0和NEO-M8P-2模塊，分別用于啟用流動站和基站。

該公司表示模塊設(shè)計(jì)用于滿足一般無人駕駛車輛的需求，但包括使其特別適用于無人機(jī)的功能，例如移動基線模式;使基站能夠像流動站一樣移動的功能。例如，這可能與從鄰近地區(qū)發(fā)射并返回更大，更傳統(tǒng)的運(yùn)輸車輛的交付無人機(jī)相關(guān)。

這些模塊基于u-blox M8 GNSS接收器，這是兼容GPS，GLONASS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，能夠同時(shí)使用GPS和GLONASS或北斗，提供更快的首次定位時(shí)間。但是，u-blox指出，如果RTK更新率很關(guān)鍵，那么它們應(yīng)該只在GPS模式下使用。圖7說明了模塊的運(yùn)行方式。

圖7：使用u-blox NEO-M8P模塊創(chuàng)建一個厘米的DGNSS解決方案準(zhǔn)確定位。

基站為流動站提供RTCM 3消息流（參考站參數(shù)）。然后，流動站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)厘米精確的定位數(shù)據(jù)。根據(jù)u-blox，這個過程通常需要不到60秒，并被稱為收斂時(shí)間。當(dāng)接收器能夠看到至少六顆具有連續(xù)鎖相的衛(wèi)星時(shí)，流動站才會進(jìn)入RTK固定模式;如果與GLONASS系統(tǒng)同時(shí)工作，則需要至少兩個來自第二個系統(tǒng)的衛(wèi)星可見，而北斗則增加到三個。

在RTK模式下操作時(shí)，將報(bào)告流動站相對于基站位置的位置。因此，流動站的絕對位置將參考基站的絕對位置和流動站相對于它的位置。這也適用于無人機(jī)需要返回其充電站以便為其電池充電的應(yīng)用。當(dāng)基站在移動基線模式下操作時(shí)，其絕對位置不再固定。然而，流動站仍然可以保持相對于其的厘米精確定位，這例如在無人機(jī)以“跟隨我”模式操作時(shí)是適用的。隨著DGNSS定位的引入，全自動無人機(jī)的概念確實(shí)開始形成。

結(jié)論

自主性和穩(wěn)定性將是未來無人機(jī)的關(guān)鍵特征。隨著基于FOC的電機(jī)控制和DGNSS等技術(shù)的整合，無人機(jī)的快速和持續(xù)發(fā)展得到了保證。預(yù)集成解決方案的可用性使得開發(fā)先進(jìn)無人機(jī)的過程變得更加簡單，為渴望利用激動人心的新可能性的OEM提供了機(jī)會。