無(wú)人機(jī)的傳感器與連接功能

簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)(drone)的正式名稱(chēng)為無(wú)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(guò)遙控或內(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控。該如何通過(guò)整合嵌入式系統(tǒng)，提供器具導(dǎo)航、自我平衡等功能并飛行到特定高度，同時(shí)還能和位于遠(yuǎn)端的使用者或機(jī)器交換信息，無(wú)人機(jī)就是一個(gè)最好的實(shí)例。

傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)常見(jiàn)于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用，像是深入偏遠(yuǎn)地區(qū)、監(jiān)控、氣象偵測(cè)或送貨到條件惡劣的地區(qū)。近來(lái)由于低成本的微型低功耗嵌入式技術(shù)問(wèn)世，無(wú)人機(jī)逐漸被運(yùn)用在消費(fèi)性應(yīng)用?，F(xiàn)在無(wú)人機(jī)已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載農(nóng)藥噴灑的工具等。

無(wú)人機(jī)吸引了各類(lèi)人的濃厚興趣，包括創(chuàng)新企業(yè)、學(xué)生、系統(tǒng)整合商、解決方案供應(yīng)商、電商以及科技供應(yīng)商。無(wú)人機(jī)可使人類(lèi)的生活變得更好、更安全也更有效率。

感測(cè)器以低功耗網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)出現(xiàn)重大進(jìn)展，是近來(lái)無(wú)人機(jī)得以飛快成長(zhǎng)的關(guān)鍵所在，而本文也將對(duì)此加以詳細(xì)說(shuō)明。

無(wú)人機(jī)的特性

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

a) 穩(wěn)定

無(wú)人機(jī)應(yīng)該要穩(wěn)定，不可無(wú)預(yù)警突然震動(dòng)、搖晃或傾斜，否則就會(huì)失去平衡并墜毀。

b) 精確

無(wú)人機(jī)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。

c) 能抵抗各種環(huán)境條件

無(wú)人機(jī)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(jī)內(nèi)部所使用的電子零件也要如此/

d) 低功耗

無(wú)人機(jī)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(jī)技術(shù)得以普及化。

e) 環(huán)境感知

環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無(wú)人機(jī)最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在的無(wú)人機(jī)都具備好幾種傳感器以監(jiān)測(cè)環(huán)境。收集到的資料可用在各種應(yīng)用，例如氣象監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等用途。

f) 聯(lián)網(wǎng)功能

聯(lián)網(wǎng)功能是無(wú)人機(jī)崛起并廣為市場(chǎng)接受的重要因素。無(wú)人機(jī)可通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機(jī)、遙控器或直接通過(guò)云端加以控制。應(yīng)根據(jù)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(jī)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。

傳感器在無(wú)人機(jī)里所扮演的角色

核心傳感器

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

加速度計(jì)

加速度計(jì)是用來(lái)提供無(wú)人機(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無(wú)人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的傾斜角度。 當(dāng)無(wú)人機(jī)呈現(xiàn)水平靜止?fàn)顟B(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(duì)象所承受的重力均為1克。若要無(wú)人機(jī)X軸旋轉(zhuǎn)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(shù)值便可應(yīng)用于三角公式，讓無(wú)人機(jī)達(dá)到特定傾斜角度。

加速度計(jì)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(shù)據(jù)可做為計(jì)算速率、方向，甚至是無(wú)人機(jī)高度的變化率。 加速度計(jì)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)所承受的震動(dòng)。

對(duì)于任何一款無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)都是一個(gè)非常重要的傳感器，因?yàn)榧词篃o(wú)人機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，都要靠它提供關(guān)鍵輸入。

陀螺儀

陀螺儀傳感器能監(jiān)測(cè)三軸的角速度，因此可監(jiān)測(cè)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(dāng)重要的傳感器。角度信息的變化能用來(lái)維持無(wú)人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制馬達(dá)速度，并提供馬達(dá)穩(wěn)定度。 陀螺儀還能確保無(wú)人機(jī)根據(jù)用戶(hù)控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)。

意法半導(dǎo)體新推出的創(chuàng)新技術(shù)LSM6DSM，是一款結(jié)合加速度計(jì)與陀螺儀的慣性測(cè)量裝置(IMU)。它還能提供兩項(xiàng)獨(dú)立的陀螺儀輸出——這種特色能用于飛行控制，同時(shí)當(dāng)無(wú)人機(jī)配備攝影機(jī)的時(shí)候，也可用來(lái)穩(wěn)定攝影機(jī)(OIS光學(xué)影像穩(wěn)定/EIS電子影像穩(wěn)定功能)。

磁羅盤(pán)

正如名稱(chēng)所示，磁羅盤(pán)能為無(wú)人機(jī)提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)匯入微控制器的運(yùn)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(cè)地理方位。

為了算出正確方向，磁性數(shù)據(jù)還需要加速度計(jì)提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補(bǔ)強(qiáng)信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù)，就能計(jì)算出正確方位。

磁羅盤(pán)對(duì)于硬鐵、軟鐵或運(yùn)轉(zhuǎn)角度都非常敏感。所謂硬鐵是指?jìng)鞲衅鞲浇膱?jiān)硬、永久性鐵磁性物質(zhì)。 它能使羅盤(pán)讀數(shù)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(shù)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(fèi)力，運(yùn)算法就能快速進(jìn)行校正。

除了方向的感測(cè)，磁性傳感器也可以用來(lái)偵測(cè)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(jī)等等，以避免事故發(fā)生。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)運(yùn)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(cè)地球的大氣壓力。 由氣壓計(jì)所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無(wú)人機(jī)導(dǎo)航，上升到所需的高度。準(zhǔn)確估計(jì)上升與下降速度，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要。意法半導(dǎo)體已推出LPS22HD壓力傳感器，數(shù)據(jù)速率達(dá)200Hz可滿(mǎn)足預(yù)測(cè)高度時(shí)的需求。

無(wú)人機(jī)傳感器的重要特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)很容易受到極端狀況的影響，包括震動(dòng)、噪音與環(huán)境。無(wú)人機(jī)里所使用的傳感器應(yīng)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(dòng)。不可以因?yàn)闇囟?、濕度等環(huán)境參數(shù)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(xù)航力。

運(yùn)算法所扮演的角色

要將原始的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有意義的使用案例，軟件數(shù)據(jù)庫(kù)扮演了相當(dāng)重要的角色。 算法可擴(kuò)大傳感器功能，使其超越原本已知范圍。運(yùn)算法還能結(jié)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(jì)、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?yàn)闀r(shí)間、溫度與隨機(jī)噪音而產(chǎn)生漂移。 磁力計(jì)與加速度計(jì)容易失真，陀螺儀則是原本就會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。 我們可利用傳感器融合數(shù)據(jù)庫(kù)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(jié)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(shù)角度。

特定應(yīng)用傳感器

這類(lèi)傳感器并不影響無(wú)人機(jī)的核心功能運(yùn)作，但越來(lái)越常被用在無(wú)人機(jī)上，以提供各種不同應(yīng)用，例如氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)耕用途等。

濕度傳感器

濕度傳感器能監(jiān)測(cè)濕度參數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)則可應(yīng)用在氣象站、凝結(jié)高度監(jiān)測(cè)、空氣密度監(jiān)測(cè)與氣體傳感器測(cè)量結(jié)果的修正。

意法半導(dǎo)體已推出HTS221濕度傳感器，其中包含一個(gè)感測(cè)組件和一個(gè)模擬前端，可透過(guò)數(shù)字串行接口提供測(cè)量信息。 這個(gè)感測(cè)組件包含了一個(gè)高分子介電質(zhì)平面晶體管結(jié)構(gòu)，能監(jiān)測(cè)相對(duì)濕度的變化。

MEMS麥克風(fēng)

MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號(hào)轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的音頻傳感器。 MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風(fēng)，因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩挠嵲氡?SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性，面對(duì)震動(dòng)時(shí)也更加穩(wěn)健。 這類(lèi)傳感器可用在無(wú)人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動(dòng)等應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能

無(wú)人機(jī)有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項(xiàng)可考慮。 低功耗藍(lán)牙(BLE)與Wi-Fi多半用于智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)，Sub-1GHz則是用在遠(yuǎn)程控制器，能提供更遠(yuǎn)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(lán)牙技術(shù)(BLE)

Bluetooth Smart又稱(chēng)為低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy，BLE)，能提供無(wú)人機(jī)低功耗的聯(lián)網(wǎng)功能。 這種技術(shù)適合低階機(jī)種，特別是玩具無(wú)人機(jī)。 它能讓無(wú)人機(jī)和做為控制裝置的智能手機(jī)、平板、手提電腦或?qū)Ｓ眠h(yuǎn)程控制器進(jìn)行雙向通訊。低功耗藍(lán)牙能讓無(wú)人機(jī)具備絕佳的電池續(xù)航力，這是使用Wi-Fi、傳統(tǒng)藍(lán)牙(Classical Bluetooth)等傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)所不可能達(dá)到的。

低功耗藍(lán)牙使用的是2.4GHz免費(fèi)授權(quán)ISM頻段。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)負(fù)責(zé)管理，并支持各大智能手機(jī)品牌。

低功耗藍(lán)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(zhí)行低功耗藍(lán)牙通訊協(xié)議的低功耗藍(lán)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(dú)立的微控制器，才能搭配執(zhí)行低功耗藍(lán)牙配置文件和應(yīng)用程序的主要微控制器并順利運(yùn)作。它也是一套獨(dú)立的平臺(tái)，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(tǒng)。 BlueNRG-MS是意法半導(dǎo)體所推出的網(wǎng)絡(luò)處理器，可支持BLE 4.1規(guī)范。這款I(lǐng)C能同時(shí)擔(dān)任主控(master)與從屬(slave)，如此一來(lái)遠(yuǎn)程搖控器就能做為智能手機(jī)的從屬裝置，同時(shí)也是無(wú)人機(jī)的主控裝置。

b. 系統(tǒng)芯片(SoC)

系統(tǒng)芯片是一種獨(dú)立的芯片組，包含控制器、主控組件、堆棧配置文件和應(yīng)用程序。 意法半導(dǎo)體的BlueNRG-1是一款通過(guò)BLE 4.2認(rèn)證的系統(tǒng)單芯片，其中包含15個(gè)GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因?yàn)橹С諦LE 4.2規(guī)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(hào)。 每個(gè)國(guó)家所定義的頻率不同，免費(fèi)提供做為工業(yè)或科學(xué)研究用途。

以下為各國(guó)所提供的免費(fèi)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(duì)較為安靜、距離較長(zhǎng)且電流消耗量極低。 缺點(diǎn)是無(wú)法直接提供智能手機(jī)聯(lián)機(jī)功能，而且并不是每個(gè)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(wǎng)(LPWAN)服務(wù)。 Sigfox能直接鏈接電信基礎(chǔ)架構(gòu)，然后轉(zhuǎn)接上云端。 它的連網(wǎng)功能有效范圍可達(dá)數(shù)公里之遠(yuǎn)。 用在無(wú)人機(jī)時(shí)，Sigfox可追蹤并將傳感器數(shù)據(jù)傳送到云端。它是一種直接鏈接電信基礎(chǔ)架構(gòu)的低數(shù)據(jù)率技術(shù)，因此一般預(yù)料將無(wú)法取代可以直接進(jìn)行控制的聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)，例如低功耗藍(lán)牙，還有RF sub-1GHz直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)機(jī)。

意法半導(dǎo)體最近推出了RF sub-1GHz與Sigfox收發(fā)器S2-LP。這款產(chǎn)品能在430-470 MHz以及860-940 MHz頻段進(jìn)行通訊。輸出功率最高達(dá)+16dbm，靈敏度最低到-130dbm。這款超低電流IC可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)機(jī)，在無(wú)人機(jī)與遠(yuǎn)程搖控器之間建立鏈接。這款產(chǎn)品還通過(guò)Sigfox認(rèn)證，經(jīng)過(guò)設(shè)定即可讓無(wú)人機(jī)直接連上Sigfox網(wǎng)絡(luò)。

開(kāi)發(fā)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)等新興應(yīng)用程序的崛起，主要是由創(chuàng)新企業(yè)與年輕一代的工程師所帶動(dòng)。此外因?yàn)槭袌?chǎng)演化速度加快，成功的機(jī)率絕大部分取決于花費(fèi)的時(shí)間與成本。因此，一個(gè)價(jià)格合理、彈性、生產(chǎn)就緒且可隨時(shí)擴(kuò)充的開(kāi)放原始碼平臺(tái)環(huán)境，就顯得非常重要。

意法半導(dǎo)體已推出STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)人員可以利用意法半導(dǎo)體的微控制器、傳感器、射頻與模擬產(chǎn)品，以非常具有彈性且價(jià)格合理的方式開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。這個(gè)硬件平臺(tái)還提供搭配的軟件驅(qū)動(dòng)程序、中間件函式庫(kù)與應(yīng)用程序，還有相關(guān)的Android與iOS程序代碼。

用戶(hù)也可以透過(guò)一份簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)授權(quán)協(xié)議，存取各種先進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦經(jīng)過(guò)平臺(tái)測(cè)試，設(shè)計(jì)人員就能開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)用的印刷電路板，并加載他們?cè)谄脚_(tái)上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在想要測(cè)試專(zhuān)用電路板時(shí)，才必須簽署數(shù)據(jù)庫(kù)的生產(chǎn)授權(quán)。

SensorTile

SensorTile是一種方形的微型化設(shè)計(jì)平臺(tái)，其中包含遠(yuǎn)程感測(cè)及測(cè)量動(dòng)作、環(huán)境與聲學(xué)參數(shù)所需要的一切組件。開(kāi)發(fā)人員能即刻專(zhuān)注于無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)、馬達(dá)控制與物理設(shè)計(jì)，而不必?fù)?dān)心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。

結(jié)論

無(wú)人機(jī)是近年來(lái)最重要的創(chuàng)新技術(shù)之一。隨著低功耗傳感器與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問(wèn)世，現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)已可廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)性及工業(yè)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)為開(kāi)發(fā)人員及創(chuàng)新企業(yè)提供了新的商機(jī)，解決一些過(guò)去被認(rèn)為是不實(shí)際或過(guò)于昂貴的復(fù)雜問(wèn)題。意法半導(dǎo)體深信無(wú)人機(jī)是一個(gè)值得關(guān)注的重要市場(chǎng)，將持續(xù)致力于相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。