無(wú)人機上的傳感器

隨著(zhù)無(wú)人機技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機逐漸由軍用領(lǐng)域拓展到了民用領(lǐng)域，并成為近幾年迅速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。如今，無(wú)人機已經(jīng)廣泛應用于氣象監測、國土資源執法、環(huán)境保護、遙感航拍、抗震救災、快遞運送等領(lǐng)域。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)人機對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用不斷增加，為了能更好的控制無(wú)人機的飛行，各種傳感器的運用則起到了十分重要的作用。因此，有人將無(wú)人機稱(chēng)為一架會(huì )飛行的“傳感器”。那么，無(wú)人機能在天上實(shí)現穩定的飛行，完成不同的動(dòng)作，需要用到哪些傳感器呢?

無(wú)人機的特性

無(wú)人機的動(dòng)作必須非常精確，除了穩定，還要能到飛行到預期的高度并有效進(jìn)行溝通。因此，一臺最基本的無(wú)人機必須具備以下特性：

• 穩定

無(wú)人機應該要穩定，不可無(wú)預警突然震動(dòng)、搖晃或傾斜，否則就會(huì )失去平衡并墜毀。

• 精確

無(wú)人機的動(dòng)作要非常精確。至于動(dòng)作可能指距離、速度、加速、方向與高度。

• 能抵抗各種環(huán)境條件

無(wú)人機要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環(huán)境狀況。而且不止外部材質(zhì)，無(wú)人機內部所使用的電子零件也要如此。

• 低功耗

無(wú)人機將會(huì )變得越來(lái)越輕，因此如何確保超低功耗以盡量縮小電池尺寸就顯得尤為重要。低功耗技術(shù)的崛起，已使得無(wú)人機技術(shù)得以普及化。

• 環(huán)境感知

環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無(wú)人機最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?，F在的無(wú)人機都具備好幾種傳感器以監測環(huán)境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象監測、農業(yè)等用途。

• 聯(lián)網(wǎng)功能

聯(lián)網(wǎng)功能是無(wú)人機崛起并廣為市場(chǎng)接受的重要因素。無(wú)人機可通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機、遙控器或直接通過(guò)云端加以控制。應根據不同使用案例，提供適合的聯(lián)網(wǎng)功能解決方案。有的無(wú)人機會(huì )采用多種聯(lián)網(wǎng)功能解決方案，以滿(mǎn)足多用途使用案例的需求。

飛行控制器

飛行控制器（FC）相當于無(wú)人機的大腦，如果放在電腦以及手機上來(lái)說(shuō)就相當于操作系統。飛行控制器通過(guò)無(wú)人機上搭載的各類(lèi)傳感器獲得數據，對這些數據進(jìn)行演算處理從而控制機體的飛行。除此之外，飛行控制器也承擔信息傳遞的職責。

飛行控制器內部主要由兩大部分構成——IMU（慣性檢測裝置）和CPS模塊?？梢哉f(shuō)無(wú)人機的飛行性能的高與低，就取決于這個(gè)飛行控制器。無(wú)人機平穩飛行不可缺少的飛行控制器中的內部傳感器（IMU）。IMU指的是慣性測量單元，大多用在需要進(jìn)行運動(dòng)控制的設備，如汽車(chē)和機器人，也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合。一般來(lái)說(shuō)IMU就包含了加速度傳感器和陀螺儀。 

無(wú)人機上的傳感器

IMU位于無(wú)人機的核心位置，可確保裝置功能與導航正常運作。 這些傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁羅盤(pán)與氣壓傳感器。

加速度計

加速度計是用來(lái)提供無(wú)人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無(wú)人機在靜止狀態(tài)時(shí)的傾斜角度。 當無(wú)人機呈現水平靜止狀態(tài)，X軸與Y軸為0克輸出，而Z軸則為1克輸出。 地球上所有對象所承受的重力均為1克。若要無(wú)人機X軸旋轉90度，那么就在X軸與Z軸施以0克輸出，Y軸則施以1克輸出。傾斜時(shí)，XYZ軸均施以0到1克之間的輸出。相關(guān)數值便可應用于三角公式，讓無(wú)人機達到特定傾斜角度。

加速度計同時(shí)也用來(lái)提供水平及垂直方向的線(xiàn)性加速。相關(guān)數據可做為計算速率、方向，甚至是無(wú)人機高度的變化率。 加速度計還可以用來(lái)監測無(wú)人機所承受的震動(dòng)。

對于任何一款無(wú)人機來(lái)說(shuō)，加速度計都是一個(gè)非常重要的傳感器，因為即使無(wú)人機處于靜止狀態(tài)，都要靠它提供關(guān)鍵輸入。

陀螺儀

陀螺儀傳感器能監測三軸的角速度，因此可監測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時(shí)角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當重要的傳感器。角度信息的變化能用來(lái)維持無(wú)人機穩定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動(dòng)器，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩定度。 陀螺儀還能確保無(wú)人機根據用戶(hù)控制裝置所設定的角度旋轉。

磁羅盤(pán)

正如名稱(chēng)所示，磁羅盤(pán)能為無(wú)人機提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場(chǎng)的數據。接著(zhù)相關(guān)數據會(huì )匯入微控制器的運算法，以提供磁北極相關(guān)的航向角，然后就能用這些信息來(lái)偵測地理方位。

為了算出正確方向，磁性數據還需要加速度計提供傾斜角度數據以補強信息。有了傾斜數據加上磁性數據，就能計算出正確方位。

磁羅盤(pán)對于硬鐵、軟鐵或運轉角度都非常敏感。所謂硬鐵是指傳感器附近的堅硬、永久性鐵磁性物質(zhì)。 它能使羅盤(pán)讀數產(chǎn)生永久性偏移。 軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質(zhì)，電路走線(xiàn)等。 它能讓傳感器讀數產(chǎn)生可變動(dòng)移位。因此它也需要磁性傳感器校正算法，以過(guò)濾掉這些異常狀況。 這時(shí)候最重要的是讓用戶(hù)不必費力，運算法就能快速進(jìn)行校正。

除了方向的感測，磁性傳感器也可以用來(lái)偵測四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線(xiàn)、車(chē)輛、其他無(wú)人機等等，以避免事故發(fā)生。

氣壓計

氣壓計運作的原理，就是利用大氣壓力換算出高度。 壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。 由氣壓計所提供的數據能協(xié)助無(wú)人機導航，上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度，對無(wú)人機飛行控制來(lái)說(shuō)相當重要。意法半導體已推出LPS22HD壓力傳感器，數據速率達200Hz可滿(mǎn)足預測高度時(shí)的需求。

超聲波傳感器

無(wú)人機采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會(huì )反彈這一特性，進(jìn)行高度控制。前面就提到過(guò)近地面的時(shí)候，利用氣壓傳感器是無(wú)法應對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠實(shí)現高度控制。這樣一來(lái)氣壓傳感器同超聲波傳感器一結合，就可以實(shí)現無(wú)人機無(wú)論是在高空還是低空都能夠平穩飛行。

GPS

如同汽車(chē)有導航系統一般，無(wú)人機也有導航系統。通過(guò)GPS，才可能知道無(wú)人機機體的位置信息。GPS是全球導航系統之一，是美國的衛星導航系統。不過(guò)最近的無(wú)人機開(kāi)始不單單采用GPS了，有些機型會(huì )同時(shí)利用GPS與其他的衛星導航系統相結合，同時(shí)接收多種信號，檢測無(wú)人機位置。無(wú)論是設定經(jīng)度緯度進(jìn)行自動(dòng)飛行，還是保持定位進(jìn)行懸停，GPS都是極其重要的一大功能。

不過(guò)由于衛星自己會(huì )經(jīng)常移動(dòng)，同時(shí)受建筑物與磁場(chǎng)的影響，也存在接收不到GPS信號的情況。這一點(diǎn)是值得注意的。

當然除了上述的幾種傳感器，無(wú)人機中還可能會(huì )用到檢測電壓電流狀態(tài)的傳感器、檢測障礙物的紅外線(xiàn)傳感器。正是由這些宛如人感官一般的傳感器在無(wú)人機中發(fā)揮作用，無(wú)人機才能夠在空中平穩飛行。

特定應用傳感器

這類(lèi)傳感器并不影響無(wú)人機的核心功能運作，但越來(lái)越常被用在無(wú)人機上，以提供各種不同應用，例如氣候監測、農耕用途等。

濕度傳感器：濕度傳感器能監測濕度參數，相關(guān)數據則可應用在氣象站、凝結高度監測、空氣密度監測與氣體傳感器測量結果的修正。

MEMS麥克風(fēng)：MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統麥克風(fēng)，因為它們能提供更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性，面對震動(dòng)時(shí)也更加穩健。 這類(lèi)傳感器可用在無(wú)人機的影片拍攝、監控、間諜行動(dòng)等應用。

傳感器數據的運算和傳輸 

要將原始的傳感器數據轉換成有意義的使用案例，軟件數據庫扮演了相當重要的角色。 算法可擴大傳感器功能，使其超越原本已知范圍。運算法還能結合來(lái)自不同傳感器的輸入，產(chǎn)生具備情境感知特色的輸出。

加速度計、陀螺儀與磁羅盤(pán)這三種動(dòng)作傳感器各有不同優(yōu)缺點(diǎn)。傳感器的限制包括校正不夠完美，也會(huì )因為時(shí)間、溫度與隨機噪音而產(chǎn)生漂移。 磁力計與加速度計容易失真，陀螺儀則是原本就會(huì )出現漂移現象。 我們可利用傳感器融合數據庫來(lái)相互校正這些傳感器，以打造在所有情境下都能得到正確結果的條件。 它不只能提供校正過(guò)的傳感器輸出，還有角度與航向角的信息，以及四元數角度。

用戶(hù)也可以透過(guò)一份簡(jiǎn)單的計算機授權協(xié)議，存取各種先進(jìn)數據庫。一旦經(jīng)過(guò)平臺測試，設計人員就能開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在想要測試專(zhuān)用電路板時(shí)，才必須簽署數據庫的生產(chǎn)授權。

SensorTile：SensorTile是一種方形的微型化設計平臺，其中包含遠程感測及測量動(dòng)作、環(huán)境與聲學(xué)參數所需要的一切組件。開(kāi)發(fā)人員能即刻專(zhuān)于無(wú)人機的空氣動(dòng)力學(xué)、馬達控制與物理設計，而不必擔心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。

無(wú)人機的聯(lián)網(wǎng)

無(wú)人機有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項可考慮。 低功耗藍牙(BLE)與Wi-Fi多半用于智能手機聯(lián)網(wǎng)，Sub-1GHz則是用在遠程控制器，能提供更遠距離的聯(lián)網(wǎng)功能。

下圖列舉了不同種技術(shù)在有效距離與能耗方面的差異。 接下來(lái)我們將進(jìn)一步討論BLE、RF sub-1GHz 以及Sigfox等低功率技術(shù)。

　　Bluetooth Smart低功耗藍牙技術(shù)(BLE)

Bluetooth Smart又稱(chēng)為低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy，BLE)，能提供無(wú)人機低功耗的聯(lián)網(wǎng)功能。 這種技術(shù)適合低階機種，特別是玩具無(wú)人機。 它能讓無(wú)人機和做為控制裝置的智能手機、平板、手提電腦或專(zhuān)用遠程控制器進(jìn)行雙向通訊。低功耗藍牙能讓無(wú)人機具備絕佳的電池續航力，這是使用Wi-Fi、傳統藍牙(Classical Bluetooth)等傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)所不可能達到的。

低功耗藍牙使用的是2.4GHz免費授權ISM頻段。相關(guān)標準由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)負責管理，并支持各大智能手機品牌。

低功耗藍牙裝置有兩種主要做法：

a. 網(wǎng)絡(luò )處理器

網(wǎng)絡(luò )處理器是一種執行低功耗藍牙通訊協(xié)議的低功耗藍牙裝置，其中包含控制器、主控組件與堆棧。但它需要一個(gè)獨立的微控制器，才能搭配執行低功耗藍牙配置文件和應用程序的主要微控制器并順利運作。它也是一套獨立的平臺，能提供更大的彈性空間，讓用戶(hù)選擇最適合的微控制器或操作系統。BlueNRG-MS是意法半導體所推出的網(wǎng)絡(luò )處理器，可支持BLE 4.1規范。這款I(lǐng)C能同時(shí)擔任主控(master)與從屬(slave)，如此一來(lái)遠程搖控器就能做為智能手機的從屬裝置，同時(shí)也是無(wú)人機的主控裝置。

b. 系統芯片(SoC)

系統芯片是一種獨立的芯片組，包含控制器、主控組件、堆棧配置文件和應用程序。 意法半導體的BlueNRG-1是一款通過(guò)BLE 4.2認證的系統單芯片，其中包含15個(gè)GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因為支持BLE 4.2規范，這種IC還能提供先進(jìn)的安全與隱私功能。

RF sub-1GHz

正如名稱(chēng)所顯示，RF sub-1GHz是利用低于1GHz的頻率傳送訊號。 每個(gè)國家所定義的頻率不同，免費提供做為工業(yè)或科學(xué)研究用途。

以下為各國所提供的免費頻段：

　　? North America : 315, 433, 915Mhz

　　? Europe : 433, 868Mhz

　　? India : 433, 865-867Mhz

　　? 北美：315, 433, 915Mhz

　　? 歐洲：433, 868Mhz

　　? 印度：433, 865-867Mhz

sub-1GHz頻率的好處是這些頻段相對較為安靜、距離較長(cháng)且電流消耗量極低。 缺點(diǎn)是無(wú)法直接提供智能手機聯(lián)機功能，而且并不是每個(gè)地方都能使用。

無(wú)人機是近年來(lái)最重要的創(chuàng )新技術(shù)之一。隨著(zhù)低功耗傳感器與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問(wèn)世，現在的無(wú)人機已可廣泛應用于各種消費性及工業(yè)應用。無(wú)人機為開(kāi)發(fā)人員及創(chuàng )新企業(yè)提供了新的商機，解決一些過(guò)去被認為是不實(shí)際或過(guò)于昂貴的復雜問(wèn)題。

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