無(wú)人機(jī) (UAV)和無(wú)人機(jī)行業(yè)正在迅猛發(fā)展并成功進(jìn)軍新的商業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)。無(wú)人機(jī)的發(fā)展?jié)摿Σ粩嗤苿?dòng)新的創(chuàng)新型應(yīng)用發(fā)展，例如 3D 建模和物流服務(wù)等。

問(wèn)題在于這些應(yīng)用正日漸復(fù)雜化，需要越來(lái)越高的處理能力和越來(lái)越多的 I/O（輸入 / 輸出）接口，但可用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)并沒(méi)有以相同的步伐發(fā)展。隨著飛行所需的軟硬件的持續(xù)發(fā)展，大多數(shù)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的功能已經(jīng)達(dá)到極限。（OH！NO！）

Aerotenna 的研究小組已經(jīng)成功試飛一款無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)采用賽靈思 Zynq-7000 All Programmable SoC 構(gòu)建。這次飛行標(biāo)志著 Aerotenna 實(shí)施高計(jì)算強(qiáng)度微波傳感產(chǎn)品發(fā)布計(jì)劃的開(kāi)始。該小組選用 Zynq SoC 的原因是其他同類(lèi)解決方案無(wú)法提供所需的處理能力。采用這種新的平臺(tái)（圖 1），Aerotenna 計(jì)劃通過(guò)部署自己的微波型防撞系統(tǒng)來(lái)改善無(wú)人飛行體驗(yàn)。

當(dāng)今無(wú)人機(jī)技術(shù)的局限

無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿σ恢痹从陲w行變得盡量經(jīng)濟(jì)實(shí)惠價(jià)，簡(jiǎn)化和刪除一切不必要的功能。若用戶(hù)想要購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品恰恰是能以最簡(jiǎn)單的方式滿(mǎn)足用戶(hù)需求的產(chǎn)品，這便是件好事。但是，對(duì) Aerotenna 這樣的開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，其任務(wù)是尋求新的、復(fù)雜的應(yīng)用，因此有必要開(kāi)發(fā)和構(gòu)建屬于自己的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，使其能夠?yàn)樽约旱?a href="http://m.1cnz.cn/v/" target="_blank">創(chuàng)意提供處理速度支持。

當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)受到的另一個(gè)重大局限是，缺乏對(duì)處理器的輸入輸出連接。因此，飛行控制系統(tǒng)很容易占用處理器的最大容量和 I/O 功能，給新傳感器和新應(yīng)用留下的空間很小。

標(biāo)準(zhǔn)處理器板所包含的大部分 I/O 已經(jīng)被飛行所需的各種組件占用殆盡。這些功能組件包括用于量化飛行器方向的慣性測(cè)量傳感器、用于判斷高度的氣壓計(jì)和高度計(jì)以及用于對(duì)用戶(hù)輸入進(jìn)行解碼的 RC 接收器。任何用于添加更多特性的剩余 I/O 不能提供太多選擇，一般局限于滿(mǎn)足最常見(jiàn)的需求，比如攝像頭或用于導(dǎo)航的 GPS。市場(chǎng)上目前尚不存在一種能夠兼容多種不同類(lèi)型傳感器和外部接口的單個(gè)平臺(tái)。

Aerotenna 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為突破這些局限的途徑是全新開(kāi)發(fā)一種板件設(shè)計(jì)。Aerotenna 一直在優(yōu)化一種新的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)將在其他平臺(tái)表現(xiàn)差強(qiáng)人意的方面嶄露頭角。Aerotenna 使用賽靈思提供的 Zynq SoC 器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。其優(yōu)異的設(shè)計(jì)將提供新一代 UAV 所需的顯著增強(qiáng)的處理器速度和 I/O 功能。

為什么選擇 Zynq SoC？

Aerotenna 選擇 All Programmable Zynq SoC 作為構(gòu)建我們強(qiáng)大平臺(tái)的基礎(chǔ)。Zynq SoC 芯片內(nèi)部的雙核 ARM Cortex-A9 APU 能實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的處理器速度。在芯片結(jié)構(gòu)、多處理器功能及 I/O 訪(fǎng)問(wèn)速度方面，市場(chǎng)上的廉價(jià)無(wú)人機(jī)平臺(tái)解決方案均無(wú)法與 Zynq SoC 匹敵。因此 Zynq SoC 是新一代平臺(tái)的理想選擇。

目前，市場(chǎng)上的大部分飛行控制平臺(tái)均基于微控制器單元 (MCU)。由于處理能力及 I/O 擴(kuò)展能力有限，該架構(gòu)會(huì)制約傳感器融合的潛力。

Zynq SoC 在處理能力和 I/O 功能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：雙核 ARM 處理器與 FPGA 邏輯相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，從而能夠?qū)⒁徊糠謺r(shí)序關(guān)鍵型處理任務(wù)交付給可編程邏輯來(lái)處理。與基于 MCU 的平臺(tái)相比，Zynq SoC 具有更豐富的 I/O 外設(shè)和存儲(chǔ)器接口功能。選擇 Zynq SoC 的另一個(gè)原因是，飛行控制程序可能會(huì)相當(dāng)龐大，并且要求極為高速的 CPU，而 Zynq SoC 能夠輕松地駕馭飛行控制程序的復(fù)雜性。同時(shí)，該器件還有大量剩余功能，為飛行控制程序的擴(kuò)展留出了充裕的空間。

目前存在多種類(lèi)型的飛行軟件程序，它們都行為各異且復(fù)雜性不同。Aerotenna 決定使用的飛行控制軟件名為 ArduPilot，這是由運(yùn)行在 Dronecode 上的 APM（自動(dòng)駕駛儀）提供的。它比大多數(shù)飛行控制軟件復(fù)雜，但提供大量較簡(jiǎn)單程序所不具備的功能，例如路點(diǎn)導(dǎo)航和多種飛行模式，以滿(mǎn)足用戶(hù)的特定應(yīng)用。

圖 1：Aerotenna 一直以來(lái)開(kāi)發(fā)的概念無(wú)人機(jī)采用先進(jìn)的傳感技術(shù)及 Zynq SoC 支持的強(qiáng)大處理平臺(tái)

ArduPilot 飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著開(kāi)源社區(qū)為 APM 項(xiàng)目添加的內(nèi)容越來(lái)越多而不斷增加。

什么是 ARDUPILOT？

ArduPilot 是一種專(zhuān)為無(wú)人機(jī)構(gòu)建的開(kāi)源自動(dòng)駕駛儀軟件程序。該軟件程序由開(kāi)發(fā)人員和愛(ài)好者組成的龐大群體不斷更新和改進(jìn)。從最初為開(kāi)源 Arduino 微處理器構(gòu)建的相當(dāng)簡(jiǎn)單的軟件起步，不斷壯大和復(fù)雜化，APM 項(xiàng)目如今已經(jīng)兼容眾多無(wú)人機(jī)平臺(tái)。目前，該程序內(nèi)含超過(guò) 70 萬(wàn)行代碼，是一種非常精細(xì)的飛行控制系統(tǒng)。

該代碼分為兩個(gè)部分：高層次層和硬件抽象層 (HAL)。高層次層負(fù)責(zé)調(diào)度任務(wù)及根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)做出決策。HAL 是用于訪(fǎng)問(wèn)硬件的存儲(chǔ)器的低層次代碼。只需調(diào)整用于平臺(tái)專(zhuān)用存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的 HAL，這種代碼結(jié)構(gòu)劃分就能將整個(gè)系統(tǒng)移植到其他平臺(tái)。 而且，不管采用什么樣的平臺(tái)，上層次的代碼只負(fù)責(zé)以相同的方式從 HAL 中提取數(shù)據(jù)。

隨著開(kāi)源社區(qū)為 APM 項(xiàng)目添加的內(nèi)容越來(lái)越多，ArduPilot 飛行控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜。因此，行業(yè)已經(jīng)達(dá)到硬件的極限，正期待新一代能夠推動(dòng)持續(xù)增長(zhǎng)的平臺(tái)問(wèn)世。

顯著改進(jìn)

將 ArduPilot 移植到 Zynq SoC 的初步工作（由谷歌無(wú)人機(jī)討論組的 John Williams 牽頭）于 2014 年完成，該工作為將 APM 移植到同一賽靈思平臺(tái)上鋪平了道路。隨著無(wú)人機(jī)令人驚嘆的新世界的開(kāi)啟，Williams 注意到 Zynq SoC 在提供定制 I/O 和實(shí)時(shí)圖像處理方面的巨大潛力。有趣的是，Williams 是開(kāi)發(fā) PetaLinux 初始工具的公司 PetaLogix 的創(chuàng)始人。 賽靈思于 2012 年收購(gòu)了這家公司。

Aerotenna 團(tuán)隊(duì)從硬件和固件兩個(gè)方向繼續(xù)推動(dòng)這些設(shè)計(jì)工作，并于 2015 年 10 月完成采用 Zynq SoC 的 ArduPilot 的首飛。Aerotenna 團(tuán)隊(duì)在 PetaLinux 操作系統(tǒng)上運(yùn)行 ArduPilot 飛行控制軟件。 這一驚世壯舉標(biāo)志著無(wú)人機(jī)技術(shù)和功能的一次飛躍。

在處理能力和 I/O 功能方面，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的飛行控制解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同類(lèi)的其他無(wú)人機(jī)解決方案，這都?xì)w功于 Zynq SoC 中的雙 ARM 內(nèi)核。這一飛躍將為眾多需要更強(qiáng)計(jì)算能力的新無(wú)人機(jī)應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。借助于為愛(ài)好者以及開(kāi)發(fā)人員構(gòu)建的充足硬件接口，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)旨在確保提供切實(shí)的改進(jìn)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)是在 Linux 操作系統(tǒng)上運(yùn)行的，由于 Linux 的可編程性和多功能性，這種平臺(tái)容納多種類(lèi)型應(yīng)用的靈活性更高。作為最為強(qiáng)大的用戶(hù)可編程操作系統(tǒng)之一，Linux 讓Aerotenna 團(tuán)隊(duì)得以按照自己的需要精確地定制系統(tǒng)。

Aerotenna 團(tuán)隊(duì)在商用現(xiàn)成的 DJI F550 機(jī)身上完成了首次飛行測(cè)試，并計(jì)劃在更多機(jī)身上測(cè)試其基于 Zynq SoC 的飛行控制器。Aerotenna 團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備以八角片上駕駛儀 (OcPoC) 平臺(tái)構(gòu)成部分的形式推出這款平臺(tái)。

任重道遠(yuǎn)的征程

全新打造一套定制化飛行控制平臺(tái)是一次任重道遠(yuǎn)的征程，這不僅需要理想的工程人員團(tuán)隊(duì)，還需要完成大量的學(xué)習(xí)，才能完成。從無(wú)到有，需要對(duì)該系統(tǒng)做出大量的決策。為了運(yùn)行飛行控制程序，必須使用操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 即時(shí)處理進(jìn)入的數(shù)據(jù)，造成的緩存延遲可忽略不計(jì)。因此，RTOS 非常適用于運(yùn)行飛行控制等時(shí)間敏感型任務(wù)。其缺陷在于難以將這類(lèi)系統(tǒng)與 ArduPilot 接口，因?yàn)椴糠謹(jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)需要在操作系統(tǒng)自身重新實(shí)現(xiàn)。

這就是 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而選擇 Linux 操作系統(tǒng)的原因。雖然 Linux 操作系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)要容易得多，進(jìn)而能將系統(tǒng)的多功能性最大化。賽靈思提供名為 PetaLinux 的強(qiáng)大嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與 Zynq SoC 及其他賽靈思器件兼容的。

由于多軸飛行器天性不穩(wěn)定，測(cè)量機(jī)身的慣性和高度是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

建造并運(yùn)行這個(gè)系統(tǒng)的路線(xiàn)圖看起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)必須克服重重嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這個(gè)過(guò)程的第一步是使用 FPGA 開(kāi)發(fā)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并為驅(qū)動(dòng)器接口編寫(xiě)和創(chuàng)建全新的 IP。核心是位于硬件層且能以極快速度處理數(shù)據(jù)的嵌入式流程。隨后，必須使用定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)部署 PetaLinux。最后，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)編譯并修改了 ArduPilot 系統(tǒng)，使之能夠在 PetaLinux 和新平臺(tái)上運(yùn)行。

Aerotenna 團(tuán)隊(duì)分階段解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了概念驗(yàn)證。Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的工作首先是接收和檢測(cè) RC 信號(hào)，然后為單個(gè)電機(jī)供電。在最后演示該概念設(shè)計(jì)后，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)著手?jǐn)U展 ArduPilot 賴(lài)以運(yùn)行的 OcPoC 與傳感器間的接口。全新編寫(xiě)自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)成功飛行最關(guān)鍵的傳感器包括加速計(jì)、陀螺儀和氣壓計(jì)。由于多軸飛行器天性不穩(wěn)定， 測(cè)量機(jī)身的慣性和高度對(duì)穩(wěn)定性至關(guān)重要。所有這些都必須通過(guò)使用正確的通信協(xié)議配置在 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的 FPGA 硬件設(shè)計(jì)中，并最終包含到其 PetaLinux 操作系統(tǒng)內(nèi)。

ArduPilot 代碼庫(kù)包含超過(guò) 70 萬(wàn)行代碼，因此一項(xiàng)重大任務(wù)就是讓系統(tǒng)在全新的平臺(tái)上運(yùn)行。由于沒(méi)有方便的界面以供調(diào)試慣性傳感器、電動(dòng)機(jī)和 RC 控制器（對(duì)其他平臺(tái)一般在高質(zhì)量的圖形用戶(hù)界面下完成），團(tuán)隊(duì)不得不細(xì)調(diào)數(shù)百個(gè)存儲(chǔ)的參數(shù)值，手動(dòng)調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。調(diào)試是必要的，因?yàn)槊總€(gè)硬件組件都有細(xì)微差別，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的輸出略有不同。因此，必須對(duì)每個(gè)組件產(chǎn)生的最大值和最小值進(jìn)行定義。這個(gè)過(guò)程最終為 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)帶來(lái)順暢可持續(xù)的飛行。

OcPoC 介紹

OcPoC 項(xiàng)目（圖 2）是 Aerotenna 的無(wú)人機(jī)飛行控制平臺(tái)。借助該項(xiàng)目，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用顯著提高的處理能力、I/O 擴(kuò)展，以及明顯優(yōu)于其他解決方案的編程靈活性來(lái)滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)社區(qū)的需求。雖然 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)使用 Zynq SoC 支持其系統(tǒng)看似對(duì)運(yùn)行當(dāng)前的 ArduPilot 版本有誤宰之嫌，但 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)該行業(yè)將不斷擴(kuò)展，而且有望提供很快得到利用的潛能。

圖 2：OcPoC 系統(tǒng)將成為首款受 Zynq SoC 芯片支持的商用版飛行控制平臺(tái)。

該架構(gòu)為開(kāi)發(fā)人員借助他們所需的全部處理能力進(jìn)行創(chuàng)造和設(shè)計(jì)鋪平了道路。采用這種新平臺(tái)，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)計(jì)劃為兼容 OcPoC 的成像、地圖和近距檢測(cè)領(lǐng)域推出新的微波技術(shù)應(yīng)用。同時(shí)，Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)能夠借助 Zynq SoC 芯片的處理功能，執(zhí)行板載數(shù)據(jù)采集與分析。

Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的平臺(tái)將提供集成 IMU 數(shù)據(jù)獲取功能，無(wú)需任何額外的傳感器設(shè)置即可開(kāi)發(fā)出即飛型“匣子”（圖 3）。該團(tuán)隊(duì)將同時(shí)為所有類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航控制提供集成導(dǎo)航界面。讓 Aerotenna 團(tuán)隊(duì)的平臺(tái)領(lǐng)先一步的地方在于，對(duì)任何外部傳感器數(shù)據(jù)，都能直接通過(guò) Zynq SoC 與 ArduPilot 程序同步開(kāi)展高速數(shù)據(jù)處理。這對(duì)基于 MCU 的平臺(tái)來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

圖 3：OcPoC 被設(shè)計(jì)為一種即飛型匣子，與 IMU 傳感器和 GPS 進(jìn)行集成，在多功能 I/O 的作用下，用于同外部設(shè)備相連接。

Zynq SoC 的額外處理功能還能處理更復(fù)雜的飛行控制系統(tǒng)，以更加精細(xì)地調(diào)諧無(wú)人機(jī)的性能。這包括將 I/O 功能擴(kuò)展到適應(yīng)更加廣泛的外部接口與傳感器選項(xiàng)，例如實(shí)時(shí)視頻流、微波近距傳感器及藍(lán)牙。

Aerotenna 團(tuán)隊(duì)希望，通過(guò)讓自己的平臺(tái)易于測(cè)試和開(kāi)發(fā)新的構(gòu)思，激勵(lì)許多其他公司和個(gè)人為無(wú)人機(jī)行業(yè)貢獻(xiàn)新穎的創(chuàng)意，不為現(xiàn)今可用硬件的處理局限性所阻礙。