北京微智達產品設計公司主要提供:北京工業設計,北京產品設計,設備產品設計,醫療產品設計,產品結構設計 , 產品外觀設計
當前位置:北京微智達產品設計公司 >> 新聞中心 >> 瀏覽文章

無人機在未來設計中的進化步驟

有人認為,無人機(UAV)或無人駕駛飛機的商業重要性可能與互聯網一樣重要。諸如空中攝影和錄像等高性能應用在很大程度上被無人機民主化,具有很大的吸引力和相應的高音量。更深奧的用途包括農業管理,預計其在醫療應用中

有人認為,無人機(UAV)或無人駕駛飛機的商業重要性可能與互聯網一樣重要。諸如空中攝影和錄像等高性能應用在很大程度上被無人機民主化,具有很大的吸引力和相應的高音量。更深奧的用途包括農業管理,預計其在醫療應用中的使用將增加。

由于為企業提供交鑰匙解決方案的公司已經出現了'無人機即服務'的概念。有關立法的澄清有助于幫助而不是阻礙蓬勃發展的行業,盡管對整體有效載荷有所限制,但其優越性幾乎都得到了保證。亞馬遜和Facebook等大型組織正在積極開發項目,分別使用無人機在偏遠地區交付商品和互聯網連接。

這些新興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第一種真正自動駕駛汽車。這是一個活躍的研究領域,已經出現了商業系統,例如家庭監控無人機,它可以在檢測到移動時自動導航建筑物的周邊,并通過互聯網將房屋所見到的信息傳達給房主。

除了無人駕駛,無人機也不受限制。包含電源,處理和有效負載的緊湊型系統。為了真正有用,即使在危險和易變的天氣條件下,它們也需要保持穩定和高效。盡管一次充電可以盡可能長時間地運行,但它們將不可避免地需要能夠自己停靠以充電,使它們能夠幾乎無限期地自主運行。這種精確的控制和導航水平正在創造對新技術的需求,突出了無人機開發最重要的兩個特點:電機控制和導航。

電子速度控制

作為一個系統,無人機可以用包括飛行控制器,電子速度控制器(ESC),電池和有效載荷的功能元素來描述。ESC與飛行控制器分開但仍由其管理是相關的。這主要是因為它是一個復雜的功能,可以從專用解決方案中受益。

ESC負責控制每個電機的速度,因此每個電機通常都有一個專用的ESC。為了協調它們的運行,所有的ESC必須能夠直接或間接地通過飛行控制器相互通信;在典型的無人機中,可能會有四個ESC和四個電機。ESC已經成為一個卓越領域,通常表現為一個可以輕松集成的完整子系統,現在已經有一小部分但越來越多的ESC解決方案可用。

由于穩定性和效率在無人機技術中至關重要,電動機的控制方式對無人機的操作至關重要。許多ESC供應商采用的方法是磁場定向控制(FOC),一種控制電機轉矩的技術,并通過這種技術來控制轉速。FOC實施得很好時,可實現加速度的快速變化而不會引入不穩定性,允許無人駕駛飛機執行復雜的機動動作,同時最大限度地提高效率。在FOC中快速計算驅動矢量是至關重要的,這就是為什么它已成為一般針對電機控制,特別是針對ESC的微控制器供應商的重點。

無人機最受青睞的無刷直流電機是由于其體積小,成本低廉,經久耐用。為了進一步降低材料成本,無人機制造商通常會采用無傳感器拓撲;也就是說,電機的位置是通過監控電機的狀態而不是轉子的位置來確定的。通過FOC算法對無傳感器BLDC電機的控制非常復雜,這也是為什么交鑰匙解決方案已經開始出現在領先的微控制器制造商身上的另一個原因。

其中一個例子是意法半導體的STEVAL-ESC001V1電子速度控制器(ESC),該器件將意法半導體的STM32F303CBT7微控制器和電機控制SDK與其L6398驅動器和STL160NS3LLH7功率MOSFET集成在一起。它們一起形成一個完整的解決方案,用于驅動單相三相無刷電機,無論是使用無傳感器FOC算法的BLDC或PMSM(永磁同步電機)。功率MOSFET是N溝道30 V,160 A STripFET H7器件。該設計可以提供20 A的最大RMS電流,這足以驅動專業無人機中使用的電機。

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

無人機在未來設計中的進化步驟

圖1顯示了該解決方案的框圖。

意法半導體指出,FOC的使用,而不是像某些ESC所使用的梯形控制算法,可提供更好的轉矩控制,而其提供的實施還可在減速期間提供主動制動和能量恢復。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖1:基于面向場控制的意法半導體STEVAL-ESC001V1電子速度控制解決方案框圖,該解決方案是為無人機開發的。


圖2(上側)和圖3(下側)中顯示了測量略小于30 mm×60 mm的組裝板,突出顯示了關鍵功能組件。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖2:STEVAL-ESC001V1。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖3:STEVAL-ESC001V1(底部)。

評估板使用ST-Link / V2編程器進行編程,可以使用ST電機控制工作臺配置固件(有關使用MC工作臺的簡短視頻介紹)。使用該軟件和評估板,工程師可以分析電機并編譯驅動該電機所需的固件。當用于驅動電機每相的信號由電路板計算并應用時,將使用PWM信號來設置電機的速度。如圖4所示,1060μs和1860μs之間的脈沖分別用于將電機速度設置為最小值和最大值之間。

圖4:用于調節由STEVAL-ESC001V1控制的電機速度的PWM信號。

ESC參考設計

對于許多半導體制造商來說,電機控制一般來說是一個越來越重要的應用領域,尤其是那些具有強大微控制器產品組合的應用領域。這包括德州儀器,該公司開發并實現了FOC解決方案,該解決方案預先安裝在部分PiccoloMCU的ROM中,并可通過API訪問。

如果沒有傳感器來提供有關電機位置的反饋,則選擇是以開環配置運行電機,還是使用其他形式的反饋。應該注意的是,閉環配置提供了更好的控制并且導致更好的整體性能。為閉環運行提供必要的反饋信息屬于專用固件功能,稱為觀察器,該功能利用電機繞組中產生的反電動勢來估計其位置。出于這個原因,固件也被稱為估算器。

在TI的解決方案中,估算器固件被稱為InstaSPIN-FAST,它代表流量,角度,速度和扭矩。FAST被描述為通用三相電機軟件編碼器,能夠與一系列電機配合使用,包括同步和異步直流和交流電機。FOC轉矩控制器軟件InstaSPIN-FOC作為TI MotorWare軟件包的一部分,免費使用,免費下載解決方案。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;而InstaSPIN-FOC可以從RAM或Flash執行,FAST算法必須始終從ROM執行。

德州儀器的無人機ESC的高速無傳感器FOC參考設計為評估InstaSPIN技術提供了一種簡單的方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPadLAUNCHXL-F28069M開發板(圖5)和DRV8305EVM三相電機驅動器BoosterPack評估模塊(圖6)。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖5:C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M開發板。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖6:DRV8305EVM三相電機驅動器BoosterPack評估模塊。

在這樣一個競爭激烈的領域中,性能與易用性相匹配通常可以成為選擇特定解決方案的非常有說服力的理由,在這方面,TI已盡一切努力在競爭中脫穎而出。例如,控制算法需要了解與受控電機相關的某些參數,但TI認為其解決方案需要提供更少的電機參數,以至于無需數據表。此外,一旦電機被識別出來,InstaSPIN-FOC和FAST解決方案就不需要調整,不像大多數其他解決方案。

估算器工作的精度是另一個關鍵參數,在這里,TI表示其解決方案可以在一個電氣周期內開始追蹤,并且可以保持低于1 Hz的精度;其他解決方案通常僅在5赫茲以上的頻率上才是準確的,并且可能在高頻時受到損害。這些優勢還意味著TI的解決方案可以在啟動時提供100%的扭矩,并在零速下完全穩定。

這些開發平臺和交鑰匙解決方案的可用性意味著現在更容易開始無人機設計。TI表示,其解決方案可以在兩分鐘內啟動并運行,突出了FOC解決方案在很短時間內的成熟程度。然而,導航并非一定如此,但它正在迅速發展,不可避免的是,不久將有解決方案能夠為各種無人駕駛車輛提供全自主導航。

差分GNSS

導航主要由一件事情復雜化:障礙。沒有任何障礙可以避免,汽車已經是自動駕駛的,但事實上從A點到B點會更簡單,如果它是一條沒有任何間隔的直線。幸運的是,在天空中,情況往往如此。出于這個原因,自主無人機很可能早于平時。當然,仍然有必要考慮碰撞檢測和避免技術,但總的來說,飛行的物體比那些沒有飛行的物體有很大的優勢。

全球導航衛星系統(GNSS)的使用現在與導航同義,當與地圖軟件一起使用時,它成為一個強大的組合。然而,全球導航衛星系統的精確度僅在米以內,而非自動無人駕駛飛機本身可能測量的距離不到一米的厘米數。對于某些應用場合,例如檢查大型露天區域或數公里的地面油管,這可能是可以接受的。對于新興的無人機應用,例如貨物交付,需要更高的準確性。

如果沒有支持這種準確度的基礎設施,自主設備將依靠機器視覺來幫助他們駕馭真實世界。然而,新興的解決方案提供了適合某些應用的精確度級別。他們采用差分全球導航衛星系統(DGNSS),該系統使用基站提供的校正數據來改進和校正由移動物體(被稱為漫游者)導出的定位數據。

該技術被稱為實時運動學(RTK),并由無線電技術委員會海事服務組織(RTCM)定義的國際公認標準涵蓋。它依賴于基站和流動站之間的實時通信信道,最常用于高端測量設備。然而,這項技術已經開始在定位為大眾市場解決方案的模塊中提供。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,分別為流動站和基站設計。

該公司表示,這些模塊的設計一般可滿足無人駕駛車輛的需求,但其中包含的功能特別適合無人機,例如移動基準線模式;這一功能使基站能夠像漫游車一樣移動。例如,這可能與送貨無人機相關,該無人機從服務于鄰近地區的更大,更傳統的運載工具啟動并返回。

這些模塊基于u-blox M8 GNSS接收器,該接收器與GPS,GLONASS和北斗衛星導航網絡兼容,并且可以同時使用GPS和GLONASS或北斗,從而為首次修復提供更快的時間。但是,u-blox指出,如果RTK更新速率很關鍵,那么它們只能用于GPS模式。圖7說明了這些模塊如何操作。

無人機在未來設計中的進化步驟

圖7:使用u-blox NEO-M8P模塊創建厘米精度定位的DGNSS解決方案。

基站為流動站提供RTCM 3消息流(參考站參數)。然后,流動站必須解決載波相位模糊問題,此時它可以進入RTK固定模式并開始實現厘米精度的定位數據。根據u-blox的說法,這個過程通常不到60秒,被稱為收斂時間。當接收器能夠看到至少六顆持續鎖相的衛星時,漫游車將僅進入RTK固定模式;如果與GLONASS系統同時工作,則至少需要來自第二個系統的兩顆衛星可見,而隨著北斗,這個衛星將增加到三個。

在RTK模式下操作時,流動站的位置將相對于基站位置進行報告。因此,漫游車的絕對位置將參考基站的絕對位置,以及漫游車相對于它的位置。這也與無人機需要返回充電站以便對其電池充電的應用有關。當基站在移動基線模式下工作時,其絕對位置不再固定。但是,漫游者仍然可以保持厘米相對于它的精確定位,例如,當無人機以“跟隨我”模式操作時,漫游者可以適用。隨著DGNSS定位的引入,完全自主的無人機概念確實開始形成。

結論

自主性和穩定性將成為未來無人機的關鍵特征。隨著諸如基于FOC的電機控制和DGNSS等技術變得更加整合,無人機的快速和持續發展得到了保證。這些預集成解決方案的可用性使得開發先進無人機的過程變得更簡單,為渴望利用令人興奮的新可能性的OEM提供了機會。

相關閱讀:

  • 機電一體化關鍵技術:電磁離合器結
  • 北京工業設計公司淺談工業設計之
  • 微智達講述產品設計師工資待遇一
  • 想象力決定產品設計的最終成果
  • 聯系我們

    CONTACT US

    今日排列五预测最准确