基于FOC電機(jī)控制和DGNSS技術(shù)優(yōu)化無(wú)人機(jī)的性能設(shè)計(jì)

根據(jù)一些人的說(shuō)法，無(wú)人駕駛飛行器（UAV）或無(wú)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(wú)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?yuàn)W的用途包括農(nóng)業(yè)管理，預(yù)計(jì)它們?cè)卺t(yī)療應(yīng)用中的使用將會(huì)增加。

由于公司為企業(yè)提供交鑰匙解決方案，“無(wú)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(shuō)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(shì)幾乎得到保證。像亞馬遜和Facebook這樣的大型組織正在積極開(kāi)發(fā)程序，分別使用無(wú)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?lái)越依賴于自治，因此，無(wú)人機(jī)可以這是第一種完全融入社會(huì)的真正自動(dòng)駕駛汽車。這是一個(gè)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(cè)到移動(dòng)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)航建筑物的周邊，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將其看到的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給房主。

以及無(wú)人駕駛，無(wú)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(zhǎng)時(shí)間地操作之外，它們將不可避免地需要能夠自我停靠以便再充電，使得它們能夠幾乎無(wú)限地自動(dòng)操作。這種精確的控制和導(dǎo)航水平正在創(chuàng)造對(duì)新技術(shù)的需求，并突出了無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)無(wú)人機(jī)可以用功能元件來(lái)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(kāi)，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€(gè)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(gè)電機(jī)的速度，因此，每個(gè)電機(jī)通常都有一個(gè)專用的ESC。為了協(xié)調(diào)其操作，所有ESC必須能夠通過(guò)飛行控制器直接或間接地相互通信;在典型的無(wú)人機(jī)中，可能會(huì)有四個(gè)ESC和四個(gè)電機(jī)。 ESC已經(jīng)成為一個(gè)卓越的領(lǐng)域，通常作為一個(gè)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(wú)人機(jī)技術(shù)中，電機(jī)的控制方式是無(wú)人機(jī)操作的基礎(chǔ)。許多ESC提供商采用的方法是磁場(chǎng)定向控制（FOC），這是一種控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的技術(shù)，通過(guò)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(wú)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(dòng)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(duì)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(wú)人機(jī)最受青睞的電機(jī)形式是無(wú)刷直流電機(jī)，由于其體積小，成本相對(duì)較低且經(jīng)久耐用。為了進(jìn)一步降低物料清單，無(wú)人機(jī)制造商通常采用無(wú)傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);也就是說(shuō)，通過(guò)監(jiān)控電機(jī)的狀態(tài)而不是轉(zhuǎn)子的位置來(lái)確定電機(jī)的位置。通過(guò)FOC算法控制無(wú)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(kāi)始提供交鑰匙解決方案的另一個(gè)原因。

STMicroelectronics的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器（ESC）就是一個(gè)例子，它將STMicroelectronics的STM32F303CBT7微控制器和電機(jī)控制SDK與其L6398驅(qū)動(dòng)器和STL160NS3LLH7功率MOSFET結(jié)合在一起。它們共同構(gòu)成了使用無(wú)傳感器FOC算法驅(qū)動(dòng)單個(gè)三相無(wú)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(dòng)專業(yè)無(wú)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(dòng)制動(dòng)和能量恢復(fù)。

圖1：基于磁場(chǎng)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(wú)人機(jī)開(kāi)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(duì)評(píng)估板進(jìn)行編程，并使用ST電機(jī)控制工作臺(tái)配置固件（a有關(guān)使用MC工作臺(tái)的簡(jiǎn)短視頻介紹可用）。使用該軟件和評(píng)估板，工程師可以分析電機(jī)并編譯驅(qū)動(dòng)該電機(jī)所需的固件。雖然用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)每相的信號(hào)由電路板計(jì)算和應(yīng)用，但PWM信號(hào)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(hào)。

ESC參考設(shè)計(jì)

對(duì)于許多電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，電機(jī)控制一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)越來(lái)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(kāi)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(guò)API訪問(wèn)。

沒(méi)有傳感器提供有關(guān)電機(jī)位置的反饋，選擇是以開(kāi)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(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)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(wú)人機(jī)ESC的高速無(wú)傳感器FOC參考設(shè)計(jì)提供了一種評(píng)估InstaSPIN技術(shù)的簡(jiǎn)單方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開(kāi)發(fā)板（圖5）和DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)BoosterPack評(píng)估模塊（圖6）。

圖p：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開(kāi)發(fā)板。

圖6：DRV8305EVM三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BoosterPack評(píng)估模塊。

在這樣一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)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(shuō)服力的理由，并且在這方面TI具有盡一切努力從競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在此，TI表示它的解決方案可以在一個(gè)電氣周期內(nèi)開(kāi)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(shì)還意味著TI的解決方案可在啟動(dòng)時(shí)提供100％的扭矩，并在零速時(shí)完全穩(wěn)定。

開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kāi)始使用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)。 TI表示，其解決方案可在兩分鐘內(nèi)啟動(dòng)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(huì)有解決方案可以為各種類型的無(wú)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(méi)有任何障礙可以避免，汽車已經(jīng)是自動(dòng)駕駛，但事實(shí)是如果它是一條沒(méi)有任何東西的直線，從A點(diǎn)到B點(diǎn)會(huì)變得更加簡(jiǎn)單。幸運(yùn)的是，在天空中，情況往往如此。出于這個(gè)原因，自主無(wú)人機(jī)很快就會(huì)變得司空見(jiàn)慣。當(dāng)然，仍然需要考慮碰撞檢測(cè)和避免技術(shù)，但一般來(lái)說(shuō)，飛行的物體比沒(méi)有飛行的物體具有很大的優(yōu)勢(shì)。

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(wú)人機(jī)所需的厘米，而自主無(wú)人機(jī)本身可以測(cè)量不到一米。對(duì)于某些應(yīng)用，例如檢查大型開(kāi)放區(qū)域或數(shù)公里的地下油管，這可能是可以接受的。對(duì)于新興的無(wú)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(méi)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(jué)來(lái)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(lái)改進(jìn)和校正由移動(dòng)物體（稱為流動(dòng)站）導(dǎo)出的定位數(shù)據(jù)。

該技術(shù)稱為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK）并由海事服務(wù)組織（RTCM）無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)定義的國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋。它依賴于基站和流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)通信通道，最常用于高端測(cè)量設(shè)備。然而，該技術(shù)開(kāi)始在作為大眾市場(chǎng)解決方案定位的模塊中提供。一個(gè)例子是來(lái)自u(píng)-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(dòng)站和基站。

該公司表示模塊設(shè)計(jì)用于滿足一般無(wú)人駕駛車輛的需求，但包括使其特別適用于無(wú)人機(jī)的功能，例如移動(dòng)基線模式;使基站能夠像流動(dòng)站一樣移動(dòng)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(wú)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(shuō)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(gè)厘米的DGNSS解決方案準(zhǔn)確定位。

基站為流動(dòng)站提供RTCM 3消息流（參考站參數(shù)）。然后，流動(dòng)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(kāi)始實(shí)現(xiàn)厘米精確的定位數(shù)據(jù)。根據(jù)u-blox，這個(gè)過(guò)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(dòng)站才會(huì)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(gè)來(lái)自第二個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星可見(jiàn)，而北斗則增加到三個(gè)。

在RTK模式下操作時(shí)，將報(bào)告流動(dòng)站相對(duì)于基站位置的位置。因此，流動(dòng)站的絕對(duì)位置將參考基站的絕對(duì)位置和流動(dòng)站相對(duì)于它的位置。這也適用于無(wú)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(dòng)基線模式下操作時(shí)，其絕對(duì)位置不再固定。然而，流動(dòng)站仍然可以保持相對(duì)于其的厘米精確定位，這例如在無(wú)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(dòng)無(wú)人機(jī)的概念確實(shí)開(kāi)始形成。

結(jié)論

自主性和穩(wěn)定性將是未來(lái)無(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)先進(jìn)無(wú)人機(jī)的過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，為渴望利用激動(dòng)人心的新可能性的OEM提供了機(jī)會(huì)。