無人機在2015年已經迅速地成為現象級的熱門產品。為此，通過特別采訪業界多家公司，期望瞭解無人機的硬件結構以及它今后的技術發展趨勢。相較于固定翼無人機，多軸飛行器/無人機（Drones）的飛行更加穩定，能在空中懸停。
主機的硬件結構以及遙控器系統主要如圖所示：
圖1：四軸飛行器系統解析圖
（來源：Holtek）
圖2：標準的遙控器系統解析圖
（來源：Holtek）
此外，有些更加先進的無人機系統，如針對模型飛機玩家和空拍攝影家打造的裝置還會要求有云臺、攝影機、視訊傳輸系統以及視訊接收等更多模組。
無人機的大腦：MCU
在四軸飛行器的飛控主機板上，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（ST）資深行銷工程師任遠介紹，無人機/多軸飛行器主要元件包括飛行控制以及遙控器兩部份。其中飛行控制包括電子變速器（ESC）/馬達控制、飛機姿勢控制以及云臺控制等。目前主流的ESC控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制，ST的STM32F051以及STM32F301系列因其高整合度、小封裝以及超值的性價比被廣泛采用。在飛機姿態控制方面，根據外部傳感器的不同，可提供STM32F0/STM32F3/STM32F4不同的系列因應客戶的需求。云臺控制方面，STM32F301/STM32F302/STM32F405等系列也已經廣泛應用于空拍產品中。此外，在遙控器方面，除了STM32F0/STM32F1系列應用于傳統的無顯示器產品類型之外，STM32F429由于內建TFT彩色驅動器正逐漸用于帶彩色顯示的遙控器當中。
新唐的MCU負責人表示：多軸飛行器由遙控、飛行控制、動力系統、空拍等不同模組構成，根據不同等級產品的需求采用從8051、Cortex-M0、Cortex-M4到ARM9等不同CPU核心，新唐科技已有多款MCU被應用在多軸飛行器中。例如小四軸的飛行主控制器由于功能單純、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，驅動無刷馬達的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 視訊編解碼器的N329系列SoC則應用于2.4G及5.8G的空拍系統。
在飛控主機板上，目前控制和處理用的最多的還是MCU。由于對于飛行控制方面主要都是浮點運算，簡單的ARM Cortex-M4核心32位元MCU就能滿足需求。有的傳感器MEMS芯片中已經整合了DSP，更加簡單的8位元MCU即可實現設計。
高通和英特爾在今年的CES上展示了功能更為豐富的多軸飛行器，采用了比MCU更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。
例如，高通展示的Snapdragon Cargo無人機基于高通Snapdragon芯片開發的飛行控制器，具有無線通訊、傳感器整合和空間定位等功能。英特爾執行長Brian Krzanich親自在CES上展示采用其RealSense技術的無人機，能夠建立3D地圖和感知周圍環境，并且可以像蝙蝠一樣飛行，能自動避免障礙物。英特爾的無人機與德國工業無人機廠商Ascending Technologies合作開發，內建高達6個英特爾的RealSense 3D攝影機，以及采用基于四核心英特爾Atom處理器的PCI Express客制卡，用于處理距離遠近與傳感器的即時資訊，以及避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示強大功能的無人機，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。
此外，活躍在在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也開始進入無人機領域。XMOS市場行銷和業務拓展副總裁Paul Neil表示，XMOS的xCORE多核心MCU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多核心MCU既可用于飛行控制也用于MCU內部通訊。
Paul Neil表示，“xCORE多核心MCU擁有數量在8到32個之間、頻率高達500 MHz的32位元RISC核心。xCOR元件也具有Hardware Response I/O介面，可提供卓越的硬件即時I/O性能，同時伴隨很低的延遲?！边@種多核心解決方案支援完全獨立的執行系統控制與通訊任務，不產生任何即時作業系統（RTOS）開銷。xCOREMCU的硬件即時性能可協助客戶實現非常精確的控制演算法，同時在系統內無抖動。
ST則表示，STM32F7系列采用最新一代Cortex-M7架構，集高性能、即時功能、數位訊號處理、高整合度于一，為有高精密度控制需求的飛行器客戶提供解決方法。STM32 Dynamic Efficiency MCU系列在動態功耗與處理性能之間取得完美平衡，使飛行器設計更完美。
多軸飛行器需要用到四至六顆無刷馬達，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位元MCU控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。
多軸無人機的MEMS/傳感器
無人機方案商深圳富微科創電子公司總經理陳一民認為，目前業界的玩具級飛行器，雖然大部份從三軸升級到了六軸MEMS，但通常采用的都是消費性產品如平板或手機上較常用的價格敏感型型號。針對專業空拍以及專為模型飛機玩家開發的中高階無人機，則會用到品質更好、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和工業級加速度計ADXL203、 ADXL278已廣泛用于專業級的空拍設備上。而商業級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也持續被廣泛應用于各種飛行器中。
這些MEMS傳感器主要用來實現飛行器的穩定控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停，可以做空拍，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，就可以控制馬達向相反的方向轉動，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，也不能只使用陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。
例如陀螺儀輸出的是角速度，要透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，它的輸出是白色雜訊和慢變隨機函數的疊加，因此，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，透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會下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的演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。
趙延輝表示，ADI產品主要的優勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精密度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只回應角速度變化，但實際上受設計和制程的限制，陀螺儀對于加速度也很敏感，即我們在陀螺儀資料手冊上常見的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，導致馬達錯誤動作，最后為終端使用者的直觀感覺就是飛行器并不平穩。
除此之外，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限制范圍后，陀螺儀再正確反應即時的角速度變化，但有些陀螺儀卻不是這樣，一旦輸入超過限制范圍，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的陀螺儀在設計時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核心和四核心的機械結構，采用差分輸出的原理來抑制這種‘共?！臎_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。
趙延輝說：“對于飛行器來說，最重要的一點就是安全，無論是硬件設計還是軟體設計，都要先確保安全，而后才是極致的用戶體驗。ADI的MEMS傳感器設計首先是保證在各種極端條件下的穩定性，然后再追求極致的指標。根據客戶實測回饋，在飛行器錯誤作業，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會受任何影響，而其它某些陀螺儀會出現非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到沖擊后，也不會產生任何可靠性問題，而其它某些加速度計則會以很大機率出現完全無輸出的現象。這些用戶實測出來的差異，都得益于ADI MEMS傳感器在設計時對各種極端情況的充分考慮?！?/p>
“未來飛行器上的MEMS產品也會朝整合化方向發展，如3軸加速度加上3軸陀螺儀的整合式產品，甚至是SoC，把處理器也整合進去，直接提供角度輸出供后端處理器調用。由于飛行器的應用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產品在這一領域的發展方向?！?/p>
陳一民認為，隨著無人機的功能不斷增加，越來越多的GPS傳感器、紅外線傳感器、氣壓傳感器、超音波傳感器被應用于無人機。方案供應商已經在利用紅外線和超音波傳感器來開發可自動避撞的無人機，以滿足將來相關法規的要求。整合GPS傳感器的無人機則可實現一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內建GPS功能的無人機可以在軟體中設置接近機場或航空限制的警示，避免誤入管制區域。
無線控制與視訊傳輸
作為娛樂級的無人機，可能只需要2.4GHz或5.8GHz等無線遙控技術即可滿足傳輸需求。雖然433MHz頻段穿透性強、通訊距離遠，最遠可傳輸達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。很多家芯片廠商均可提供2.4GHz或5.8GHz的無線射頻芯片，一直以來多半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，在裝載云臺和相機后，可以在高空中拍攝視訊，并透過無線通訊（5.8G、WI-FI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，四軸空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（空拍），成為一款智慧硬件商品。
目前博通公司（Broadcom）的Wi-Fi和藍牙組合芯片已廣泛應用于無人機上，在控制訊號傳輸和視訊傳輸上均有涉獵。應用于無人機上的WLAN芯片主要特性為同時維護視訊通道和控制通道的可靠性和穩定性。這些芯片擁有先進的接收架構、高接收靈敏度，以及各種先進的通道管理能力，其中就包括針對高速和抗噪連接的MIMO和雙頻技術。“博通的WICED 開發套件支援Linux、Android和基于RTOS的作業系統，”博通公司無線連接組合事業部產品資深行銷總監Brian Bedrosia說。
在無人機的視訊傳輸方面，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，所以還不能滿足空拍的要求。陳一民介紹，目前有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸類比視訊到地面，最遠距離能達600多公尺。但這種方式需要在飛行器上將高解析（1，080P或4K）轉碼成720P，再轉成數位訊號傳輸到遙控器顯示幕上，技術上較復雜，畫面品質不夠好，而且會有馬賽克、停頓或卡死的情形。
目前包括博通與高通等專業Wi-Fi芯片商都尚未開發出這種遠距離無線傳輸高解析視訊的芯片。但隨著無人機市場持續延燒，無線芯片廠商已在著手計劃推出專用芯片了?！拔磥砦覀儗吹侥芡瑫r與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組，”博通的Brian Bedrosian表示。
在專用芯片推出之前，一種采用軟體定義無線電（SDR）的方法解決了無線遠距離和高頻寬傳輸的矛盾。在ADI公司的軟體定義無線電技術問世之前，RF工程師可以透過分離元件實現遠距離高頻寬的無線傳輸，但是方案既復雜成本也很高，開發時間太長，不太適合用于消費性產品上。
ADI半導體資深客戶應用經理章新明介紹，AD9561/64系列整合式RF收發器已經被大量應用到無人機了?！癆D9561/64擁有高性能2x2I/Q收發器，可以實現 70MHz至6.0GHz可調頻率范圍，200kHz至56HHz頻段，可為無人機輕松實現較遠距離的高解析無線傳輸?！闭滦旅髡f，“它同時還可以傳輸指令，無人機的無線傳輸可省去2.4GHz的RF收發IC?！?/p>
無人機仍面臨技術挑戰
雖然無人機前景被一致看好，但事實上無人機仍然面臨很多技術上的難題，包括電池的續航瓶頸、更高效率的旋翼設計、遠端的控制與通訊，以及在軟體上如何更方便地操控與普及產品等。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，尤其是專業空拍級的無人機廠商。
專業空拍無人機定價高，而且還搭載著高階的攝影機或相機。在使用過程中，哪怕是出現一次故障，造成無人機墜機，都會為消費者帶來重大損失，甚至是地面人員的人身安全。無人機制造廠偉力玩具技術總監翟占超本人也是一位多年的模型飛機玩家，他認為造成無人機墜機的原因可歸納為兩種：一是生產與安裝過程中品管不足，出現機械方面的問題;另一種是訊號與軟體演算法的問題。
翟占超表示，目前仍難以徹底解決無人機飛行器的‘墜機’問題。現在裝配的問題比較容易發現并且避免，如調速器行程不一致、連線不夠穩定、機身震動、結構裝配不完整等，這些問題在飛機動作量大時很容易導致失控。最嚴重的是飛控自身存在的不穩定，將會不定時的出現運算錯誤，例如由于環境原因造成的磁場錯亂、GPS訊號弱、遙控器失控以及電池突然沒電等。因此，在飛行控制時必須考慮到發生這些情況時的安全處理。