無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行需要用到哪些傳感器呢

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)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(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源執(zhí)法、環(huán)境保護(hù)、遙感航拍、抗震救災(zāi)、快遞運(yùn)送等領(lǐng)域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用不斷增加，為了能更好的控制無(wú)人機(jī)的飛行，各種傳感器的運(yùn)用則起到了十分重要的作用。

因此，有人將無(wú)人機(jī)稱為一架會(huì)飛行的“傳感器”。那么，無(wú)人機(jī)能在天上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(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：

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。

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。

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。

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。

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。現(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。

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，以滿足多用途使用案例的需求。

飛行控制器

飛行控制器（FC）相當(dāng)于無(wú)人機(jī)的大腦，如果放在電腦以及手機(jī)上來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于操作系統(tǒng)。飛行控制器通過(guò)無(wú)人機(jī)上搭載的各類傳感器獲得數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行演算處理從而控制機(jī)體的飛行。除此之外，飛行控制器也承擔(dān)信息傳遞的職責(zé)。

飛行控制器內(nèi)部主要由兩大部分構(gòu)成——IMU（慣性檢測(cè)裝置）和CPS模塊。可以說(shuō)無(wú)人機(jī)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(jī)平穩(wěn)飛行不可缺少的飛行控制器中的內(nèi)部傳感器（IMU）。IMU指的是慣性測(cè)量單元，大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)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(jī)上的傳感器

IMU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)用戶控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)。

磁羅盤

正如名稱所示，磁羅盤能為無(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、車輛、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可滿足預(yù)測(cè)高度時(shí)的需求。

超聲波傳感器

無(wú)人機(jī)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(yīng)對(duì)的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來(lái)氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)無(wú)論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS

如同汽車有導(dǎo)航系統(tǒng)一般，無(wú)人機(jī)也有導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)GPS，才可能知道無(wú)人機(jī)機(jī)體的位置信息。GPS是全球?qū)Ш较到y(tǒng)之一，是美國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。不過(guò)最近的無(wú)人機(jī)開始不單單采用GPS了，有些機(jī)型會(huì)同時(shí)利用GPS與其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，同時(shí)接收多種信號(hào)，檢測(cè)無(wú)人機(jī)位置。無(wú)論是設(shè)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(wèi)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(hào)的情況。這一點(diǎn)是值得注意的。

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

特定應(yīng)用傳感器

這類傳感器并不影響無(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。

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。

傳感器數(shù)據(jù)的運(yùn)算和傳輸

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。

用戶也可以透過(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)人員就能開發(fā)自己專用的印刷電路板，并加載他們?cè)谄脚_(tái)上開發(fā)的固件。用戶只有在想要測(cè)試專用電路板時(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。開發(fā)人員能即刻專注于無(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。

無(wú)人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)

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、RFsub-1GHz以及Sigfox等低功率技術(shù)。

BluetoothSmart低功耗藍(lán)牙技術(shù)(BLE)

BluetoothSmart又稱為低功耗藍(lán)牙(BluetoothLowEnergy，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(ClassicalBluetooth)等傳統(tǒng)無(wú)線技術(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(BluetoothSIG)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BLE4.1規(guī)范。這款IC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)BLE4.2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LE4.2規(guī)范，這種IC還能提供先進(jìn)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(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：

?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(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。

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。

審核編輯：劉清