無人機(jī)的傳感器與連接功能
2017-5-29 12:17:54??????點擊：
簡介
無人機(jī)（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(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控。該如何通過整合嵌入式系統(tǒng)，提供器具導(dǎo)航、自我平衡等功能并飛行到特定高度，同時還能和位于遠(yuǎn)端的使用者或機(jī)器交換信息，無人機(jī)就是一個最好的實例。
傳統(tǒng)上來說，無人機(jī)常見于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用，像是深入偏遠(yuǎn)地區(qū)、監(jiān)控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地區(qū)。近來由于低成本的微型低功耗嵌入式技術(shù)問世，無人機(jī)逐漸被運用在消費性應(yīng)用。現(xiàn)在無人機(jī)已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載農(nóng)藥噴灑的工具等。
無人機(jī)吸引了各類人的濃厚興趣，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。無人機(jī)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(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)出現(xiàn)重大進(jìn)展，是近來無人機(jī)得以飛快成長的關(guān)鍵所在，而本文也將對此加以詳細(xì)說明。
無人機(jī)的特性
無人機(jī)的動作必須非常精確，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，一臺最基本的無人機(jī)必須具備以下特性：
a)穩(wěn)定
無人機(jī)應(yīng)該要穩(wěn)定，不可無預(yù)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(jī)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(huán)境條件
無人機(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)，無人機(jī)內(nèi)部所使用的電子零件也要如此/
d)低功耗
無人機(jī)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(shù)的崛起，已使得無人機(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，成為無人機(jī)最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一。現(xiàn)在的無人機(jī)都具備好幾種傳感器以監(jiān)測環(huán)境。收集到的資料可用在各種應(yīng)用，例如氣象監(jiān)測、農(nóng)業(yè)等用途。
f)聯(lián)網(wǎng)功能
聯(lián)網(wǎng)功能是無人機(jī)崛起并廣為市場接受的重要因素。無人機(jī)可通過簡單的智能手機(jī)、遙控器或直接通過云端加以控制。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。有的無人機(jī)會采用多種聯(lián)網(wǎng)功能解決方案，以滿足多用途使用案例的需求。
傳感器在無人機(jī)里所扮演的角色
核心傳感器
這些傳感器位于無人機(jī)的核心位置，可確保裝置功能與導(dǎo)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(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時的傾斜角度。當(dāng)無人機(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。地球上所有對象所承受的重力均為1克。
若要無人機(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，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，讓無人機(jī)達(dá)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(guān)數(shù)據(jù)可做為計算速率、方向，甚至是無人機(jī)高度的變化率。加速度計還可以用來監(jiān)測無人機(jī)所承受的震動。
對于任何一款無人機(jī)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(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)測三軸的角速度，因此可監(jiān)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(dāng)重要的傳感器。角度信息的變化能用來維持無人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動器，通過動態(tài)控制馬達(dá)速度，并提供馬達(dá)穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無人機(jī)根據(jù)用戶控制裝置所設(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)合加速度計與陀螺儀的慣性測量裝置（IMU）。它還能提供兩項獨立的陀螺儀輸出——這種特色能用于飛行控制，同時當(dāng)無人機(jī)配備攝影機(jī)的時候，也可用來穩(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
正如名稱所示，磁羅盤能為無人機(jī)提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會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偵測地理方位。
為了算出正確方向，磁性數(shù)據(jù)還需要加速度計提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補強(qiáng)信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù)，就能計算出正確方位。
磁羅盤對于硬鐵、軟鐵或運轉(zhuǎn)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(jìn)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(jī)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(shù)據(jù)能協(xié)助無人機(jī)導(dǎo)航，上升到所需的高度。準(zhǔn)確估計上升與下降速度，對無人機(jī)飛行控制來說相當(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)測高度時的需求。
無人機(jī)傳感器的重要特點
無人機(jī)很容易受到極端狀況的影響，包括震動、噪音與環(huán)境。無人機(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。不可以因為溫度、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。運算法還能結(jié)合來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、陀螺儀與磁羅盤這三種動作傳感器各有不同優(yōu)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(jī)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出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。
我們可利用傳感器融合數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)角度。
特定應(yīng)用傳感器
這類傳感器并不影響無人機(jī)的核心功能運作，但越來越常被用在無人機(jī)上，以提供各種不同應(yīng)用，例如氣候監(jiān)測、農(nóng)耕用途等。
濕度傳感器
濕度傳感器能監(jiān)測濕度參數(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、空氣密度監(jiān)測與氣體傳感器測量結(jié)果的修正。
意法半導(dǎo)體已推出HTS221濕度傳感器，其中包含一個感測組件和一個模擬前端，可透過數(shù)字串行接口提供測量信息。這個感測組件包含了一個高分子介電質(zhì)平面晶體管結(jié)構(gòu)，能監(jiān)測相對濕度的變化。
MEMS麥克風(fēng)
MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號轉(zhuǎn)換為電子訊號的音頻傳感器。 MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)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，面對震動時也更加穩(wěn)健。這類傳感器可用在無人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動等應(yīng)用。
無人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能
無人機(jī)有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項可考慮。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又稱為低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE），能提供無人機(jī)低功耗的聯(lián)網(wǎng)功能。這種技術(shù)適合低階機(jī)種，特別是玩具無人機(jī)。它能讓無人機(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。但它需要一個獨立的微控制器，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(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能同時擔(dān)任主控(master)與從屬(slave)，如此一來遠(yuǎn)程搖控器就能做為智能手機(jī)的從屬裝置，同時也是無人機(jī)的主控裝置。
b.系統(tǒng)芯片（SoC）
系統(tǒng)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(yīng)用程序。意法半導(dǎo)體的BlueNRG-1是一款通過BLE 4.2認(rèn)證的系統(tǒng)單芯片，其中包含15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因為支持BLE 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
正如名稱所顯示，RF sub-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(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、距離較長且電流消耗量極低。缺點是無法直接提供智能手機(jī)聯(lián)機(jī)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(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)。
用在無人機(jī)時，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)料將無法取代可以直接進(jìn)行控制的聯(lián)網(wǎng)選項，例如低功耗藍(lán)牙，還有RF sub-1GHz直接點對點聯(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可用于點對點聯(lián)機(jī)，在無人機(jī)與遠(yuǎn)程搖控器之間建立鏈接。這款產(chǎn)品還通過Sigfox認(rèn)證，經(jīng)過設(shè)定即可讓無人機(jī)直接連上Sigfox網(wǎng)絡(luò)。
開發(fā)平臺
無人機(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。此外因為市場演化速度加快，成功的機(jī)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(chǎn)就緒且可隨時擴(kuò)充的開放原始碼平臺環(huán)境，就顯得非常重要。
意法半導(dǎo)體已推出STM32開放式開發(fā)環(huán)境平臺，讓設(shè)計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格合理的方式開發(fā)產(chǎn)品。這個硬件平臺還提供搭配的軟件驅(qū)動程序、中間件函式庫與應(yīng)用程序，還有相關(guān)的Android與iOS程序代碼。
用戶也可以透過一份簡單的計算機(jī)授權(quán)協(xié)議，存取各種先進(jìn)數(shù)據(jù)庫。一旦經(jīng)過平臺測試，設(shè)計人員就能開發(fā)自己專用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開發(fā)的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時，才必須簽署數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)授權(quán)。
SensorTile
SensorTile是一種方形的微型化設(shè)計平臺，其中包含遠(yuǎn)程感測及測量動作、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人機(jī)的空氣動力學(xué)、馬達(dá)控制與物理設(shè)計，而不必?fù)?dān)心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。
結(jié)論
無人機(jī)是近年來最重要的創(chuàng)新技術(shù)之一。隨著低功耗傳感器與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問世，現(xiàn)在的無人機(jī)已可廣泛應(yīng)用于各種消費性及工業(yè)應(yīng)用。無人機(jī)為開發(fā)人員及創(chuàng)新企業(yè)提供了新的商機(jī)，解決一些過去被認(rèn)為是不實際或過于昂貴的復(fù)雜問題。意法半導(dǎo)體深信無人機(jī)是一個值得關(guān)注的重要市場，將持續(xù)致力于相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)。
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