? ? ? ? 據一些人說，無人駕駛飛機(UAV)的商業意義，或無人駕駛飛機，因為他們更為人所知，可能和互聯網一樣重要。高調的應用如航空攝影和錄像，這在很大程度上被民主化的無人機，有群眾訴求和相應的高容量。更為深奧的用途包括農業管理，在醫療應用中，它們的使用預計會增加。

　　“無人機作為一種服務”的概念已經出現，因為公司為企業提供了一個交鑰匙解決方案。澄清圍繞立法可以說是幫助而不是阻礙了新興產業，雖然整體的有效載荷的限制，但他們的優勢是有保證。亞馬遜和臉譜網等大型組織正在積極開發利用無人駕駛飛機在偏遠地區運送貨物和互聯網連接的計劃。

　　這些新出現的應用將越來越依賴自主性，因此，無人機可能成為完全融入社會的真正自主車輛的第一種形式。這是一個活躍的研究領域，商業系統已經出現，如家庭監控無人駕駛飛機，可以自主導航建筑物的周邊時，檢測到的運動，并轉播它看到的房主在互聯網上。

　　作為無人駕駛，無人機也不受限制;緊湊的系統，包括電源、處理、和有效載荷。為了真正有用，即使在危險多變的天氣條件下，它們也必須保持穩定和高效。為了盡可能長時間地在一次充電中運行，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航正在創造對新技術的需求，并強調了兩項最關鍵的特性：馬達控制和導航。

　　電子速度控制

　　作為一個系統，無人機可以用飛行控制器、電子調速器、蓄電池和有效載荷等功能元件來描述。ESC是獨立的，但仍然由飛行控制器管理。這主要是因為它是一種從專用解決方案中獲益的復雜函數。

　　ESC負責控制每個電動機的速度，因此，每個電動機通常有一個專用ESC。為了協調它們的操作，所有ESCs必須能夠通過飛行控制器直接或間接地相互通信;在一個典型的無人機中，可能有四個胚胎干細胞和四個馬達。ESC已經成為一個卓越的領域，經常被作為一個完整的子系統呈現，可以很容易地集成，并且現在有一個小但越來越多的ESC解決方案。

　　由于無人機技術的穩定性和效率是至關重要的，因此控制馬達的方式對無人駕駛飛機的操作至關重要。的方法，許多ESC供應商采用磁場定向控制(FOC)，一個控制電機的轉矩技術，通過它，速度。實施的時候，FOC提供加速度快速變化而不引入不穩定，使無人機的同時最大化效率執行復雜的動作。驅動矢量的快速計算是至關重要的矢量控制，這就是為什么它已成為針對電機控制一般微控制器供應商的關注，特別是與胚胎干細胞。

　　無人駕駛飛機最受歡迎的電機形式是無刷直流電動機，因為它體積小，成本相對較低，而且經久耐用。為了進一步降低材料清單，無人機制造商通常采用無傳感器拓撲結構，也就是說，電機的位置是通過監測電動機的狀態而不是轉子的位置來確定的。通過矢量控制算法的無位置傳感器無刷直流電機的控制是復雜的，而另一個原因是交鑰匙解決方案已開始從領先的單片機廠商嶄露頭角。

　　一個例子是steval-esc001v1電子調速控制器(ESC)從意法半導體，它匯集了意法半導體的stm32f303cbt7單片機及其l6398驅動器和功率MOSFET stl160ns3llh7電機控制SDK。它們共同構成驅動三相無刷電機完整的解決方案，無論是無刷直流電機或永磁同步電機(永磁同步電機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設備。該設計可以提供最大的RMS電流為20 A，這足以驅動專業無人駕駛飛機使用的電機。圖1顯示了解決方案的框圖。

　　STMicroelectronics指出，免費使用，而不是一個梯形控制算法中使用的一些ESCs，提供更好的扭矩控制，而實現它提供還提供了主動制動和減速時的能量回收。

　　意法半導體的steval-esc001v1電子速度控制方案框圖

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

　　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)所示，突出顯示關鍵功能部件。

　　意法半導體steval-esc001v1圖像(頂部)

　　圖2：這steval-esc001v1(頂部)。

　　意法半導體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電機控制工作臺配置(可以使用MC Workbench的簡短視頻介紹)。使用這個軟件和評估板，工程師可以配置電機和編譯所需的驅動電機的固件。當驅動電機的每個相位的信號由電路板計算和應用時，用PWM信號來設定電機的轉速。如圖4所示，在1060至1860微米之間的脈沖被用來將馬達速度設置在最小值和最大值之間。

　　用于調節電機轉速的pwm信號圖

　　圖4：用來調節的steval-esc001v1控制電動機轉速的PWM信號。

　　ESC的參考設計

　　一般來說，電機控制對于許多半導體制造商來說，是一個越來越重要的應用領域，尤其是那些具有強大的微控制器組合的應用領域。這包括德克薩斯儀器，已開發和產品化的解決方案，提供一個免費預裝在選擇Piccolo MCUs的ROM和通過API。

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

　　在TI的解決方案，估計固件被稱為InstaSPIN快，即流量、角度、速度和轉矩。快速被描述為一個通用的三相電機軟件編碼器，能夠工作在一系列的電機實現，包括同步和異步直流和交流電機。它是由FOC轉矩控制器軟件，InstaSPIN-FOC，形成鈦的motorware軟件包的一部分;一個免費使用，免費下載的解決方案。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可執行從RAM或閃存，快速算法必須執行從羅

　　高速無傳感器矢量參考設計無人機的胚胎干細胞從德克薩斯儀器提供了一個簡單的方法來評估InstaSPIN技術。它是基于C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發板(圖5)和drv8305evm三相電機驅動器BoosterPack評價模塊(圖6)。

　　德克薩斯儀器C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發板的圖像

　　圖5：C2000 Piccolo Launchpad launchxl-f28069m開發板（圖片來源：凱利訊半導體）。

　　德克薩斯儀器drv8305evm三相電機驅動器BoosterPack評價模塊的圖像

　　圖6：這drv8305evm三相電機驅動器BoosterPack評價模塊（圖片來源：凱利訊半導體）。

　　在這樣一個競爭激烈的環境中，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的某些參數，但TI堅持認為，它的解決方案需要提供較少的電機參數，即不需要數據表。此外，一旦電機已被確定，該InstaSPIN-FOC和快速的解決方案不需要調整，不像大多數其他的解決方案。

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

　　開發平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現在可以更容易地開始使用無人機設計。TI認為，其解決方案可以啟動和運行在兩分鐘，強調先進的矢量控制方案已經在很短的時間內。然而，導航也不一定如此，但它正在迅速發展，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航。

　　差分GNSS

　　導航主要是復雜的一件事：障礙。沒有任何障礙可以避免，汽車已經是自駕車，但事實是，從A點到B點將是簡單得多，如果它是一條直線，沒有任何之間的。幸運的是，在天空中，這是常有的事。出于這個原因，自主無人駕駛飛機很可能比后來的時間更常見。當然，仍然需要考慮碰撞檢測和避障技術，但總的來說，飛的物體比不飛的物體有很大的優勢。

　　全球導航衛星系統(GNSS)的使用現在是導航的同義詞，當與地圖軟件一起使用時，它將成為一個強大的組合。然而，全球導航衛星系統是眾所周知的，只有精確到米內，而不是厘米，這是必要的自主無人駕駛飛機，可能本身測量不到一米。對于某些應用，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。對于新出現的無人駕駛飛機應用，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設施，自主設備將依靠機器視覺幫助他們導航真實世界。然而，出現了一些解決方案，提供了與某些應用程序相適應的精確度。他們采用差分GNSS(DGPS)，采用修正的數據由一個基站的完善和正確定位數據通過移動對象派生，簡稱虎。

　　該技術被稱為實時動態(RTK)和被國際認可的標準組織的海事服務無線電技術委員會(RTCM)定義。它依賴于基站與漫游者之間的實時通信通道，最常用于高端測量設備。然而，該技術正開始在以大眾市場解決方案為定位的模塊中實現。一個例子是從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，這些模塊的設計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。這可能與運載式無人駕駛飛機有關，它將從一個更大、更傳統的運載工具向鄰近地區發射。

　　該模塊是基于u-blox M8 GNSS接收機，并與GPS兼容，GLONASS和BeiDou衛星導航網絡，并且能夠使用GPS和GLONASS和北斗的同時，提供更快的首次定位時間。然而，u-blox指出如果RTK的更新速度是至關重要的，那么他們應該只使用GPS模式。圖7說明了模塊是如何操作的。

　　u-blox的neo-m8p模塊創建一個差分求解圖像

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

　　基站供應車一股RTCM 3消息(參考站參數)。然后，探測器必須解決載波相位模糊，此時它可以進入RTK固定模式，并開始實現厘米精確定位數據。根據u-blox，這個過程一般不超過60秒，被稱為收斂時間。月球車將進入RTK固定模式時，接收機具有能見度至少六顆衛星的連續相鎖;如果與GLONASS系統同時工作，它需要從第二系統的至少兩個衛星是可見的，并與BeiDou增加至三。

　　當在RTK模式下運行時，漫游者的位置相對于基站位置報告。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需要返回充電站以充電的相關應用。當基站在移動基線模式下工作時，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，這是適用于當無人駕駛飛機是在“跟隨我”模式，例如。隨著差分定位的介紹，完全自主的無人機概念確實開始形成。

　　結論

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

總結

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站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。