无人机硬件系统深度拆解，子模块架构图与功能解析

什么是多旋翼?

01 固定翼

先提出固定翼无人机：靠螺旋桨或者涡轮发动机产生推力作为飞机向前飞行的动力，主要的升力来自机翼与空气的相对运动，适合航测、管道巡线、应急通讯等领域。续航时间长，抗风性能好，拍摄面积广，但是操作复杂。

02  多旋翼

多旋翼无人机：依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力，通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平衡和姿态。多旋翼无人机可以悬停，垂直升降，对起飞场地要求低。适合航拍、环境监测、建模、物流运输等领域，操作相对简单，但是续航时间短，载重能力相对较低。

                 DJI MAVIC 2       

无人机子模块“硬蛋”拆解

01 硬件系统

                  DJI AIR系列核心板TOP面与BOT面                  

                           梳理无人机硬件系统框图

02

电调模块

   电调顾名思义电子调速器，与电池、电机、桨叶构成无人机的动力系统。驱动电机多为无刷直流电机（Brushless Pirect CurrentMotor, BLDCM），电调的安数A，如10A、20A、30A，这个数字就是电调能够提供的电流。最大持续电流指的是在正常工作模式下的持续输出电流，峰值电流指的是电调能承受的最大瞬时电流。

电机的KV值，指的是空载情况下，外加1V电压得到的电机转速值，电机的KV值越高，提供出来的扭力就越小。电压大小根据螺旋桨的体积来选择，一般大型螺旋桨可以选用KV值较小的电机，而小型螺旋桨选用KV值较大的电机。

              H桥电路

                    MIN系列电调板

Mini系列飞机电调板用到4颗电荷泵型MP6530，双电阻下桥臂3m欧电阻采样，用于三相无刷直流电机驱动应用的栅极驱动IC，它能驱动由6个高达 60V N通道功率MOSFET组成的三个半桥，使用自举电容为高侧MOSFET驱动供电，内部涓流电流充电电路可以维持充足的栅极驱动电压，支持 100% 占空比工作，如下为MP6530逻辑图：

                    MP6530逻辑框图

  03

BMS模块（Battery Management System）

BMS顾名思义是负责管理电池的系统，包含电池组管理，电池充电状态预测SOC（State of Charge），功率限制，故障诊断，电池健康状态检测，电池电量计算，电池温度及寿命预估，如下图为BMS的系统架构。

  电池均衡通俗讲是让电池组电压偏差保持在预期的范围内，通常采用主动或被动均衡方法实现，有的AFE自带内部均衡电路，但这个均衡电流比较小。被动均衡实为通过电阻发热将能量消耗掉，主动均衡是通过储能元件以某种形式将能量从一个地方转移到另一个地方实现均衡。

  04

传感器模块

  先说说气压计，用来定高，气压与高度的关系h=12m/mmHg×(p0-p)，常用的定高传感器如下几类：

• GNSS，精度几十米

• 单点TOF，精度5cm

• 双目，精度1cm

• 超声波，精度1cm

• IMU ，精度10cm

     为什么不用上面几类传感器来定高，要用气压计？无人机飞行控制是多传感器融合算法定位的，从精度、成本可靠性角度考虑，气压计更能直接反馈飞机气压与高度的关系。气压计会受风力、光照强度、温度的影响，所以气压计模块做一个封闭的壳子，壳子与大气层接触面添加防水透气膜。注意封闭的壳子内部温度，PCBA内部是否树脂塞孔，防止腔体温度通过过孔传递到气压计上，导致数据异常。

     IMU为惯性测量单元，通常包含3轴加速度计、3轴角速度计、磁力计；用来测量无人机在三维空间中的角速度和加速度，解算出无人机的飞行姿态，磁力计用来测试磁场强度和方向，定位无人机的飞行方向，与指南针原理类似；注意IMU是对强磁场环境比较敏感的器件，PCBA布局需远离大电流路径，IMU存在零偏，并且会受环境因素的影响产生变化，设计上会给IMU增加恒温槽，且有加热电路，将IMU的工作温度恒定在某个值。

    指南针主要作用是测量地球磁场方向，判断飞机航向。内部包含磁力计，但通常不包含加速度计和陀螺仪，Honeywell数字指南针HMC5983，3轴I2C接口，带温度补偿功能。

    注意：气压计、指南针、IMU独立电源供电且电源有大电容时需要泄放电阻，促使电源掉电完全保证再次上电初始化成功。

  05

  FMCW雷达模块

  FMCW为调频连续波毫米波段相控阵雷达，是无人机最常用的避障、建图传感器，相比激光雷达，其受天气影响因素较小，成本较低，制造工艺成熟，但是测量精度相对较低，FMCW RADAR的系统框图：

无人机的FMCW 雷达可以测距、测角，测速。连续发射调频信号以实现距离，速度，角度的数据测量，FMCW雷达信号的频率随时间变化呈线性升高。接受信号与发射信号混频后的中频信号，对于选定的系统，中频信号是恒定值。

                      中频信号及带宽

最大检测距离dmax=Fs*c/2S;可见采样率越大，检测距离越远；

距离分辨率dres=c/2B，可见信号带宽越大，距离分辨率越好；

CMOS高频器件和单片微波集成电路MMIC的出现和应用，毫米波雷达的性能有了很大的提高，成本也有所下降，并且雷达的外型尺寸可以做得很小。

06

图传模块

               经典的P1方案

                  接收机射频链路

   DJI 无人机图传系统主要有3种:

• Wi-Fi 图传（中继器+热点）

• Lightbridge 图传

• OcuSync 图传

   OcuSync图传是对之前的Lightbridge图传的一次重大升级，它以更先进的技术在多方面优化了无人机的信号传输 ，DJI图传基于软件定义无线电（SDR）技术开发，采用SDR与Wi-Fi双制式技术，具有自动跳频功能（支持2.4 GHz、5.8 GHz及DFS频段）应对信号干扰。

小结

   无人机硬件系统涵盖飞控、动力、传感器、通信、导航、机载计算6大核心模块，随着材料科学、微电子技术、传感器技术的不断发展，无人机硬件向更轻、更强、更智能、更可靠的方向演进，硬件迈向高度集成化，跨模块协同工作是未来硬件工作的基石，硬件，始终是无人机翱翔与创新的坚实根基。

END