無人機的傳感器與連接功能

　　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(nèi)設(shè)的智能控件進行操控。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(tǒng)上來說，無人機常見于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用，像是深入偏遠地區(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，無人機逐漸被運用在消費性應(yīng)用。現(xiàn)在無人機已成為玩具、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)重大進展，是近來無人機得以飛快成長的關(guān)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(wěn)定，還要能到飛行到預(yù)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(wěn)定

　　無人機應(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)，無人機內(nèi)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(shù)的崛起，已使得無人機技術(shù)得以普及化。

　　e) 環(huán)境感知

　　環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無人機最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在的無人機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(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。

　　傳感器在無人機里所扮演的角色

　　核心傳感器

　　這些傳感器位于無人機的核心位置，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在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機在靜止?fàn)顟B(tài)時的傾斜角度。 當(dāng)無人機呈現(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(guān)數(shù)據(jù)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(jiān)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?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穩(wěn)定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅(qū)動器，通過動態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩(wěn)定度。 陀螺儀還能確保無人機根據(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)無人機配備攝影機的時候，也可用來穩(wěn)定攝影機(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(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200Hz可滿足預(yù)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(huán)境。無人機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(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的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動等應(yīng)用。

　　無人機的聯(lián)網(wǎng)功能

　　無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。 接下來我們將進一步討論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又稱為低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy，BLE)，能提供無人機低功耗的聯(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?qū)Ｓ眠h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(xù)航力，這是使用Wi-Fi、傳統(tǒng)藍牙(Classical Bluetooth)等傳統(tǒng)無線技術(shù)所不可能達到的。

　　低功耗藍牙使用的是2.4GHz免費授權(quán)ISM頻段。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)負責(zé)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(zhí)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。但它需要一個獨立的微控制器，才能搭配執(zhí)行低功耗藍牙配置文件和應(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(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聯(lián)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(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)功能有效范圍可達數(shù)公里之遠。 用在無人機時，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行控制的聯(lián)網(wǎng)選項，例如低功耗藍牙，還有RF sub-1GHz直接點對點聯(lián)機。

　　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頻段進行通訊。輸出功率最高達+16dbm，靈敏度最低到-130dbm。這款超低電流IC可用于點對點聯(lián)機，在無人機與遠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)定即可讓無人機直接連上Sigfox網(wǎng)絡(luò)。

　　開發(fā)平臺

　　無人機等新興應(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授權(quán)協(xié)議，存取各種先進數(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的空氣動力學(xué)、馬達控制與物理設(shè)計，而不必擔(dān)心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。

　　結(jié)論

　　無人機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)在的無人機已可廣泛應(yīng)用于各種消費性及工業(yè)應(yīng)用。無人機為開發(fā)人員及創(chuàng)新企業(yè)提供了新的商機，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)。