工業自動化發展如何，派個無人機去偵查！

根據Harris Williams發佈的《2021年工業自動化行業概況報告》資料顯示，2020年全球自動化市場的價值約為1,750億美元。預計到2025年將達到2,650億美元左右。作為世界工廠的中國也預計將在2022年達到2,085億元的市場規模。工業自動化在全球範圍內已是大勢所趨。

簡單來講，工業自動化技術就是一種運用控制理論、儀器儀表理論、電腦資訊技術，對工業生產過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策，實現增加產量、提高品質、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術。

全球疫情進入常態化，這對工業製造中的勞動密集型產業帶來了很大的衝擊，整個市場對於自動化和智慧化解決方案的需求也更加迫切。

圖 | 全球自動化市場價值統計和預估（圖源：Harris Williams）

伺服控制是工業自動化的基礎

對於一家工廠來說，擁有工業自動化精密製造和柔性製造生產線，是被定義為實現智慧創新型企業的標配。而伺服系統是實現工業自動化精密製造和柔性製造的核心技術，也是工業機器人的主要動力來源。

眾所周知，一家企業在智慧製造轉型過程中的第一訴求一定是提升生產力和生產效率，這往往離不開先進設備的助力。對於機器人、數控機床、電子製造等有精確定位需求的高端裝備製造行業來說，他們的精益裝備都需要對位移、速度、力矩等運動要素進行精密控制，而實現精密控制的主角就是高精度伺服系統。

圖 | 精密製造示意圖

和大部分工控自動化系統類似，伺服系統主要由控制器、伺服驅動器和伺服電機三部分構成。但與其他工控自動化設備不同的是，當設備遇到問題時，大部分設備難以在第一時間對故障和誤差進行科學的調整與補償，而伺服系統可以進行持續性地優化，並且還能使各個環節的控制精度更高，甚至可以達到微米級別。

因此，在精密製造的過程中，伺服系統一方面可以實現精確地控制，加快生產的速度，提高產品品質，從而提升工作效率和產值；另一方面還可以通過提高控制精度和效率，降低對機械部件加工精度和傳動機構運行精度的依賴，在一定程度上減少精密設備投入的成本。

無人機“飛”進工業自動化

在工業自動化應用中，無人機正在實現其中重要的 “無人化”和“自動化”的環節，能夠在生產中進行維護、測量、測繪和監測，它的應用性也伴隨著圖像的解析度的提升不斷增強。無人機收集的資料，結合分析軟體能夠為我們提供更加細緻的分析、管理、維護與預測能力。

無人機要完成各種精細飛行任務則需要以精密的伺服控制系統為基礎，它相當於無人機的大腦。以競賽級無人機為例，要達到這個級別的控制要求，以往都需要四顆較高性能的MCU來實現對一台四旋翼無人機的四個BLDC電調電機的控制，此外還要用一顆Cortex-M4級別的MCU做飛控，來完成讀取感測器資料、控制飛行姿態、完成通訊等任務。
 

恩智浦推出了一款i.MXRT1052處理器，可以通過外接4路功率模組，用無感FOC演算法驅動4個無刷電機，實現一顆就能搞定上述五顆完成的事情，即降低了總體成本又縮小了系統的尺寸，為無人機開發提供新的設計思路。

因為這顆處理器除了有堪比MPU的處理能力，它在外設方面可以支援像LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能介面，以此能夠遊刃有餘地處理感測器接收到的信號，包括視頻資訊和加速度計、陀螺儀、磁羅盤與氣壓感測器等傳回來的資料資訊。處理器對這些資料進行演算處理，以統籌好各路通信問題。

此外，i.MXRT1052自帶集成了DC-DC轉換器，並且它的UART介面又可以用於傳送速率控制的類比信號，從而實現對交流電機運行的位置、速度和電機電樞電流的高精度控制。

同樣在無人機的方案中，ST提供的STM32G4增加了三種硬體加速器，包括實現代碼加速的ART加速器，實現預配置確定性保障的關鍵程式加速CCM-SRAM，以及涉及三角函數和數字濾波器的數學加速器，這樣的配置能夠在處理器主頻資源並不是分充足的情況下保證感測器高速地回傳的資訊。

圖 | 基於STM32G4的探索套件B-G431B-ESC1（圖源：ST官網）

而在電機控制方面， ST還提供了一個功能完整的電機轉速電子控制探索套件，可以處理無感測器向量控制演算法（FOC）或六步換向控制。板載功能支援電機感測器和三Shunt電阻電流檢測，加上X-CUBE-MCSDK v5.4.1 電機控制SDK，可以實現高達6S LiPo電池組供電的無人機的電機轉速電子控制。

未來，開放的工業自動化將不斷吸納融入AI、大資料、邊緣計算等新一代技術，從而向更高層次邁進。打造先進製造的基礎包括了基礎的技術條件以及對工業的認知，這些都需要長時間的經驗積累。