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        無人機的傳感器與連接功能介紹
        專欄:技術支持
        發布日期:2018-07-03
        閱讀量:5221
        作者:佚名
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        無人機(drone)的正式名稱為無人飛行器(unmanned aerial vehicle),它是一種不需要人駕駛的飛行器,主要通過遙控或內設的智能控件進行操控。該如何通過整合嵌入式系統,提供器具導航、自我平衡等功能并飛行到特定高度,同時還能和位于遠端的使用者或機器交換信息,無人機就是一個最好的實例。傳統上來說,無人機常見于防御及科學方面的應用,像是深入偏遠地區、監控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地...

        無人機(drone)的正式名稱為無人飛行器(unmanned aerial vehicle),它是一種不需要人駕駛的飛行器,主要通過遙控或內設的智能控件進行操控。該如何通過整合嵌入式系統,提供器具導航、自我平衡等功能并飛行到特定高度,同時還能和位于遠端的使用者或機器交換信息,無人機就是一個最好的實例。

        傳統上來說,無人機常見于防御及科學方面的應用,像是深入偏遠地區、監控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地區。近來由于低成本的微型低功耗嵌入式技術問世,無人機逐漸被運用在消費性應用?,F在無人機已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載農藥噴灑的工具等。

        無人機吸引了各類人的濃厚興趣,包括創新企業、學生、系統整合商、解決方案供應商、電商以及科技供應商。無人機可使人類的生活變得更好、更安全也更有效率。

        感測器以低功耗網絡連接技術出現重大進展,是近來無人機得以飛快成長的關鍵所在,而本文也將對此加以詳細說明。

        無人機的特性

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

        a) 穩定

        無人機應該要穩定,不可無預警突然震動、搖晃或傾斜,否則就會失去平衡并墜毀。

        b) 精確

        無人機的動作要非常精確。至于動作可能指距離、速度、加速、方向與高度。

        c) 能抵抗各種環境條件

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

        d) 低功耗

        無人機將會變得越來越輕,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。低功耗技術的崛起,已使得無人機技術得以普及化。

        e) 環境感知

          環境傳感技術逐漸崛起,成為無人機最關鍵的發展領域之一?,F在的無人機都具備好幾種傳感器以監測環境。收集到的資料可用在各種應用,例如氣象監測、農業等用途。

        f) 聯網功能

        聯網功能是無人機崛起并廣為市場接受的重要因素。無人機可通過簡單的智能手機、遙控器或直接通過云端加以控制。應根據不同使用案例,提供適合的聯網功能解決方案。有的無人機會采用多種聯網功能解決方案,以滿足多用途使用案例的需求。

        傳感器

        在無人機里所扮演的角色,位于無人機的核心位置,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、磁羅盤與氣壓傳感器。

        加速度計

        加速度計是用來提供無人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機在靜止狀態時的傾斜角度。當無人機呈現水平靜止狀態,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,XYZ軸均施以0到1克之間的輸出。相關數值便可應用于三角公式,讓無人機達到特定傾斜角度。

        加速度計同時也用來提供水平及垂直方向的線性加速。相關數據可做為計算速率、方向,甚至是無人機高度的變化率。加速度計還可以用來監測無人機所承受的震動。

        對于任何一款無人機來說,加速度計都是一個非常重要的傳感器,因為即使無人機處于靜止狀態,都要靠它提供關鍵輸入。

        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維持無人機穩定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動器,通過動態控制馬達速度,并提供馬達穩定度。陀螺儀還能確保無人機根據用戶控制裝置所設定的角度旋轉。

        磁羅盤

        正如名稱所示,磁羅盤能為無人機提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的數據。接著相關數據會匯入微控制器的運算法,以提供磁北極相關的航向角,然后就能用這些信息來偵測地理方位。

        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。它能使羅盤讀數產生永久性偏移。 軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質,電路走線等。 它能讓傳感器讀數產生可變動移位。因此它也需要磁性傳感器校正算法,以過濾掉這些異常狀況。 這時候最重要的是讓用戶不必費力,運算法就能快速進行校正。

        除了方向的感測,磁性傳感器也可以用來偵測四周的磁性與含鐵金屬,例如電極、電線、車輛、其他無人機等等,以避免事故發生。

        氣壓計

        氣壓計運作的原理,就是利用大氣壓力換算出高度。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助無人機導航,上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度,對無人機飛行控制來說相當重要。意法半導體已推出LPS22HD壓力傳感器,數據速率達200Hz可滿足預測高度時的需求。

        無人機傳感器的重要特點

        無人機很容易受到極端狀況的影響,包括震動、噪音與環境。無人機里所使用的傳感器應該具備高度防震功能,擷取的噪音越少越好,而且速度夠快能吸收所有震動。不可以因為溫度、濕度等環境參數的變化就影響效能。最后它還要耗電超低,以提供更高的電池續航力。

        運算法所扮演的角色

        要將原始的傳感器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。運算法還能結合來自不同傳感器的輸入,產生具備情境感知特色的輸出。

        加速度計、陀螺儀與磁羅盤這三種動作傳感器各有不同優缺點。傳感器的限制包括校正不夠完美,也會因為時間、溫度與隨機噪音而產生漂移。磁力計與加速度計容易失真,陀螺儀則是原本就會出現漂移現象。我們可利用傳感器融合數據庫來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的傳感器輸出,還有角度與航向角的信息,以及四元數角度。

        特定應用傳感器  

        這類傳感器并不影響無人機的核心功能運作,但越來越常被用在無人機上,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

        MEMS麥克風是一種能將聲音頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風正逐漸取代傳統麥克風,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,面對震動時也更加穩健。這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監控、間諜行動等應用。

        無人機的聯網功能

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

        下圖列舉了不同種技術在有效距離與能耗方面的差異。接下來我們將進一步討論BLE、RFsub-1GHz以及Sigfox等低功率技術。

        無人機的傳感器與連接功能

        Bluetooth Smart低功耗藍牙技術(BLE)

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

        低功耗藍牙使用的是2.4GHz免費授權ISM頻段。相關標準由藍牙技術聯盟(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.網絡處理器

        網絡處理器是一種執行低功耗藍牙通訊協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絡處理器,可支持BLE 4.1規范。這款IC能同時擔任主控(master)與從屬(slave),如此一來遠程搖控器就能做為智能手機的從屬裝置,同時也是無人機的主控裝置。

        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BLE4.2認證的系統單芯片,其中包含15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因為支持BLE4.2規范,這種IC還能提供先進的安全與隱私功能。

        RFsub-1GHz

        正如名稱所顯示,RFsub-1GHz是利用低于1GHz的頻率傳送訊號。每個國家所定義的頻率不同,免費提供做為工業或科學研究用途。

        以下為各國所提供的免費頻段:

        NorthAmerica :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、距離較長且電流消耗量極低。缺點是無法直接提供智能手機聯機功能,而且并不是每個地方都能使用。

        Sigfox是采用sub-1GHz頻率的一種訂閱制低功耗廣域網(LPWAN)服務。Sigfox能直接鏈接電信基礎架構,然后轉接上云端。 

        它的連網功能有效范圍可達數公里之遠。 

        用在無人機時,Sigfox可追蹤并將傳感器數據傳送到云端。它是一種直接鏈接電信基礎架構的低數據率技術,因此一般預料將無法取代可以直接進行控制的聯網選項,例如低功耗藍牙,還有RF sub-1GHz直接點對點聯機。

        開發平臺

        無人機等新興應用程序的崛起,主要是由創新企業與年輕一代的工程師所帶動。此外因為市場演化速度加快,成功的機率絕大部分取決于花費的時間與成本。因此,一個價格合理、彈性、生產就緒且可隨時擴充的開放原始碼平臺環境,就顯得非常重要。

        用戶也可以透過一份簡單的計算機授權協議,存取各種先進數據庫。一旦經過平臺測試,設計人員就能開發自己專用的印刷電路板,并加載他們在平臺上開發的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時,才必須簽署數據庫的生產授權。

        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作、環境與聲學參數所需要的一切組件。開發人員能即刻專注于無人機的空氣動力學、馬達控制與物理設計,而不必擔心聯網功能與傳感器整合。

        無人機的傳感器與連接功能

        結論

        無人機是近年來最重要的創新技術之一。隨著低功耗傳感器與聯網技術的問世,現在的無人機已可廣泛應用于各種消費性及工業應用。無人機為開發人員及創新企業提供了新的商機,解決一些過去被認為是不實際或過于昂貴的復雜問題。意法半導體深信無人機是一個值得關注的重要市場,將持續致力于相關領域產品的開發。


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