在今年CES上無人機成為了展會最大的熱點之一，大疆（DJI）、Parrot、3D Robotics、AirDog等知名無人機公司都有展示他們的最新產品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強大、能夠自動避開障礙物的飛行器。無人機在2015年已經迅速地成為現象級的熱門產品，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。為此，本刊特別采訪了多家公司，來了解無人機的硬件結構以及它今后的技術發展趨勢。（注：本篇文章中的無人機，也特指多軸飛行器（Drone）。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。主機的硬件結構如下圖。

　　以上只是標準產品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發燒友和航拍用戶們的無人機系統，還會要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統以及視頻接收等更多模塊。

　　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任遠介紹，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，意法半導體的STM32F051以及STM32F301系列因其高集成度，小封裝以及超值的性價比被業界廣泛采用。在飛機姿態控制方面，根據外部傳感器的不同，意法半導體可以提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列對應客戶的需求。云臺控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經廣泛應用于客戶的航拍產品當中。另外，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應用于傳統的不帶顯示的類型之外，STM32F429由于內置TFT彩屏驅動也正在逐漸用在帶彩屏顯示的遙控器當中。

　　新唐的MCU負責人表示： 多軸飛行器由遙控， 飛控，動力系統， 航拍等不同模塊構成， 根據不同等級產品的需求， 從8051， Cortex-M0， Cortex-M4到ARM9的不同CPU內核， 新唐科技已有多款 MCU 被應用在多軸飛行器：例如小四軸的飛行主控， 因功能單純， 體積小， 必須同時整合遙控接收， 飛行控制及動力驅動功能， 采用QFN33或TSOP20 封裝的Cortex-M0 MINI54系列;中高階多軸飛行器則采用內建 DSP 及浮點運算單元的Cortex-M4 M451系列， 負責飛行主控功能，驅動無刷電機的電調（ESC）板則采用MINI5系列設計。低階遙控器使用 SOP20 封裝的4T 8051 N79E814;中高階遙控器則采用Cortex-M0 M051系列。另外， 內建ARM9及H.264視頻邊譯碼器的N329系列SOC則應用于2.4G及5.8G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ARM Cortex-M4內核32位MCU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主芯片

　　今年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ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。

　　此外，活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經進入到無人機領域。XMOS公司市場營銷和業務拓展副總裁Paul Neil博士表示，XMOS的xCORE多核微控制器系列已被一些無人機/多軸飛行器的OEM客戶采用。在這些系統中，XMOS多核微控制器既用于飛行控制也用于MCU內部通信。

　　Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。xCORE器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實時I/O性能，同時伴隨很低的延遲?！斑@種多核解決方案支持完全獨立地執行系統控制與通信任務，不產生任何實時操作系統（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實時性能使得我們的客戶能夠實現非常精確的控制算法，同時在系統內無抖動。xCORE多核微控制器的這些優點，正是吸引諸如無人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實時性應用用戶的關鍵之處。”

　　意法半導體也透露，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構，集高性能、實時功能、數字信號處理、高集成度，為有高精度控制的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency（動態效率）微控制器系列在動態功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設計更加完美。

　　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8位MCU來做控制，但筆者也有看到一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

　　多軸無人機的EMS/傳感器

　　無人機方案商深圳富微科創電子有限公司總經理陳一民認為，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。

　　ADI亞太區微機電產品市場和應用經理趙延輝介紹，ADI的工業級陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工業級加速度計ADXL203、 ADXL278等被廣泛用于專業級的航拍設備上。而商業級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也一直被廣泛應用于一體機及各種飛行器中。

　　這些MEMS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。

　　隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機上。方案商已經在利用紅外和超聲波傳感器來開發出可自動避撞的無人機，以滿足將來相關法規的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設置接近機場或航空限制的敏感地點，不讓飛機起飛。

　　無線控制與視頻傳輸

　　作為娛樂級的無人機，可能只需要用到傳輸的遙控技術，2.4GHz或5.8GHz的無線遙控都可以滿足。雖然433MHz頻段穿透性強，通訊距離遠，可以最遠傳輸達2公里，但由于其抗干擾能力弱，遙控無人機或飛行器上都不太采用。2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片有很多家芯片廠商都可以提供，一直以來都為遙控玩具廠商采用，可供選擇的芯片較多。

　　多軸無人機由于可以非常穩定的飛行，在裝戴云臺和相機后，可以在高空中拍攝視頻，并通過無線通信（5.8G、WIFI或LTE）即時傳輸到地面，其用途更加廣泛。合泰半導體產品技術開發處/馬達產品技術部專案處長潘健章認為，四軸航拍飛行器已經從少數的用途（交通監控、大氣監控、城市規劃、邊境巡防、災情監視、監測農業莊稼生長與病蟲害情況、精準噴灑農藥、邊疆巡航、城市反恐等），開始走向大眾消費者（航拍），成為一款智能硬件商品。

　　在無人機的視頻傳輸方面，深圳大疆DJI無人機早就是航拍無人機市場的領導者。他們可以無線傳輸1080P高清視頻，這是其它眾多國內娛樂無人機廠商目前沒有解決的問題。一般的做法是在云臺搭載相機，高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時看到拍攝畫面，所以還不能滿足航拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠距離能達600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清（1080P或4K）轉碼成720P，再轉成數字信號傳輸到遙控器顯示屏上，技術上也較復雜，并且畫面會有馬賽克、停頓或卡死。畫面質量也不夠好，用到專業航拍還有距離，適合普通愛好者娛樂。

　　目前專業WiFi芯片廠商還沒有開發出這種遠距離無線高清視頻傳輸的芯片，包括博通與高通都沒有。但是無人機市場如此火熱，無線芯片廠商已經在著手計劃推出專用芯片。“未來我們將會看到能同時與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組，”博通公司 Brian Bedrosian表示。

　　在專用芯片推出之前，一種采用軟件定義無線電的方法解決了無線遠距離和高帶寬傳輸的矛盾。在ADI公司的軟件定義無線電（SDR）技術問世之前，RF工程師可以通過分立器件去實現遠距離高帶寬的無線傳輸，但是方案既復雜成本也很高，開發時間太長，不太適合用于消費類的產品上。

　　無人機仍將面臨的技術難題

　　雖然無人機前景被一致看好，但事實上無人機仍然還面臨很多技術上的難題，包括電池的續航瓶頸、更高效率的旋翼的設計、更遠程的控制與通信、以及在軟件上如何更方便的操控來普及產品等。這些方面的技術挑戰，隨著眾多公司在無人機上的研發不斷投入都有可能解決，但還有一個現實的問題，困擾著無人機，尤其是專業航拍級的無人機廠商。

　　專業航拍無人機定價動輒高達上萬塊RMB，同時還搭載高端的相機或攝像機。在使用過程中，哪怕是出現一次故障，造成無人機墜機，都會給消費者帶來重大的損失，甚至是地面人員的人身安全。在專業論壇中被發燒友們稱為“炸機”的無人機墜機事件不斷發生，專業航拍廠家為此最為頭痛，主要原因是基本上即使是有事故視頻，甚至是飛機“殘骸”，技術人員也不能斷定事故真正的原因。