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无人机的传感器功能
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2017-5-24 9:55:39
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无人机(drone)的正式名称为无人飞行器(unmanned aerial vehicle),它是一种不需要人驾驶的飞行器,主要通过遥控或内设的智能控件进行操控。该如何通过整合嵌入式系统,提供器具导航、自我平衡等功能并飞行到特定高度,同时还能和位于远端的使用者或机器交换信息,无人机就是一个最好的实例。 

 

传统上来说,无人机常见于防御及科学方面的应用,像是深入偏远地区、监控、气象侦测或送货到条件恶劣的地区。近来由于低成本的微型低功耗嵌入式技术问世,无人机逐渐被运用在消费性应用。现在无人机已成为玩具、摄影辅助器材、送货载农药喷洒的工具等。

 

无人机吸引了各类人的浓厚兴趣,包括创新企业、学生、系统整合商、解决方案供应商、电商以及科技供应商。无人机可使人类的生活变得更好、更安全也更有效率。

 

传感器技术的重大进展,是近年来无人机得以飞快成长的关键所在,而本文也将对此加以详细说明。

 

  • 无人机的特性

 

无人机的动作必须非常精确,除了稳定,还要能到飞行到预期的高度并有效进行沟通。因此,一台最基本的无人机必须具备以下特性:

 

a)    稳定

无人机应该要稳定,不可无预警突然震动、摇晃或倾斜,否则就会失去平衡并坠毁。

 

b)    精确

无人机的动作要非常精确。至于动作可能指距离、速度、加速、方向与高度。

 

c)    能抵抗各种环境条件

无人机要能抵抗下雨、灰尘、高温等环境状况。而且不止外部材质,无人机内部所使用的电子零件也要如此。

 

d)    低功耗

无人机将会变得越来越轻,因此如何确保超低功耗以尽量缩小电池尺寸就显得尤为重要。低功耗技术的崛起,已使得无人机技术得以普及化。

 

e)    环境感知

环境传感技术逐渐崛起,成为无人机最关键的发展领域之一。现在的无人机都具备好几种传感器以监测环境。收集到的资料可用在各种应用,例如气象监测、农业等用途。

 

f)     联网功能

联网功能是无人机崛起并广为市场接受的重要因素。无人机可通过简单的智能手机、遥控器或直接通过云端加以控制。应根据不同使用案例,提供适合的联网功能解决方案。有的无人机会采用多种联网功能解决方案,以满足多用途使用案例的需求。

 

传感器在无人机里所扮演的角色

 

  • 核心传感器

 

这些传感器位于无人机的核心位置,可确保装置功能与导航正常运作。这些传感器包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘与气压传感器。

 

  • 加速度计

 

加速度计是用来提供无人机在XYZ三轴方向所承受的加速力。它也能决定无人机在静止状态时的倾斜角度。当无人机呈现水平静止状态,X轴与Y轴为0g输出,而Z轴则为1g输出。地球上所有对象所承受的重力均为1g。若要无人机X轴旋转90度,那么就在X轴与Z轴施以0g输出,Y轴则施以1g输出。倾斜时,XYZ轴均施以0到1g之间的输出。相关数值便可应用于三角公式,让无人机达到特定倾斜角度。

 

加速度计同时也用来提供水平及垂直方向的线性加速。相关数据可做为计算速率、方向,甚至是无人机高度的变化率。加速度计还可以用来监测无人机所承受的震动。

对于任何一款无人机来说,加速度计都是一个非常重要的传感器,因为即使无人机处于静止状态,都要靠它提供关键输入。

 

  • 陀螺仪

 

陀螺仪传感器能监测三轴的角速度,因此可监测出俯仰(pitch)、翻滚(roll)和偏摆(yaw)时角度的变化率。即使是一般飞行器,陀螺仪都是相当重要的传感器。角度信息的变化能用来维持无人机稳定并防止晃动。由陀螺仪所提供的信息将汇入马达控制驱动器,通过动态控制马达速度,并提供马达稳定度。陀螺仪还能确保无人机根据用户控制装置所设定的角度旋转。

 

意法半导体新推出的创新技术LSM6DSM,是一款结合加速度计与陀螺仪的惯性测量装置(IMU)。它还能提供两项独立的陀螺仪输出——这种特色能用于飞行控制,同时当无人机配备摄影机的时候,也可用来稳定摄影机(OIS光学影像稳定/EIS电子影像稳定功能)。

 

磁罗盘

 

正如名称所示,磁罗盘能为无人机提供方向感。它能提供装置在XYZ各轴向所承受磁场的数据。接着相关数据会汇入微控制器的运算法,以提供磁北极相关的航向角,然后就能用这些信息来侦测地理方位。

 

为了算出正确方向,磁性数据还需要加速度计提供倾斜角度数据以补强信息。有了倾斜数据加上磁性数据,就能计算出正确方位。

 

磁罗盘对于硬铁、软铁或运转角度都非常敏感。所谓硬铁是指传感器附近的坚硬、永久性铁磁性物质。它能使罗盘读数产生永久性偏移。软铁则是指附近有弱铁磁性物质,电路走线等。它能让传感器读数产生可变动移位。因此它也需要磁性传感器校正算法,以过滤掉这些异常状况。这时候最重要的是让用户不必费力,运算法就能快速进行校正。

 

除了方向的感测,磁性传感器也可以用来侦测四周的磁性与含铁金属,例如电极、电线、车辆、其他无人机等等,以避免事故发生。

 

  • 气压计

 

气压计运作的原理,就是利用大气压力换算出高度。压力传感器能侦测地球的大气压力。由气压计所提供的数据能协助无人机导航,上升到所需的高度。准确估计上升与下降速度,对无人机飞行控制来说相当重要。意法半导体已推出LPS22HB压力传感器,数据速率达200Hz可满足预测高度时的需求。

 

 

无人机传感器的重要特点

 

无人机很容易受到极端状况的影响,包括震动、噪音与环境。无人机里所使用的传感器应该具备高度防震功能,撷取的噪音越少越好,而且速度够快能吸收所有震动。不可以因为温度、湿度等环境参数的变化就影响效能。最后它还要耗电超低,以提供更高的电池续航力。

 

算法所扮演的角色

 

要将原始的传感器数据转换成有意义的使用案例,软件数据库扮演了相当重要的角色。算法可扩大传感器功能,使其超越原本已知范围。算法还能结合来自不同传感器的输入,产生具备情境感知特色的输出。

 

加速度计、陀螺仪与磁罗盘这三种动作传感器各有不同优缺点。传感器的限制包括校正不够完美,也会因为时间、温度与随机噪音而产生漂移。磁力计与加速度计容易失真,陀螺仪则是原本就会出现漂移现象。我们可利用传感器融合数据库来相互校正这些传感器,以打造在所有情境下都能得到正确结果的条件。它不只能提供校正过的传感器输出,还有角度与航向角的信息,以及四元数角度。

 

特定应用传感器

 

这类传感器并不影响无人机的核心功能运作,但越来越常被用在无人机上,以提供各种不同应用,例如气候监测、农耕用途等。

 

  • 湿度传感器

 

湿度传感器能监测湿度参数,相关数据则可应用在气象站、凝结高度监测、空气密度监测与气体传感器测量结果的修正。 

 

意法半导体已推出HTS221温湿度传感器,其中包含一个感测组件和一个模拟前端,可透过数字串行接口提供测量信息。这个感测组件包含了一个高分子介电质平面晶体管结构,能监测相对湿度的变化。 

 

  • MEMS麦克风

 

MEMS麦克风是一种能将声音频号转换为电子讯号的音频传感器。 MEMS麦克风正逐渐取代传统麦克风,因为它们能提供更高的讯噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射频抗扰性,面对震动时也更加稳健。这类传感器可用在无人机的影片拍摄、监控、间谍行动等应用。

  

开发平台

 

无人机等新兴应用程序的崛起,主要是由创新企业与年轻一代的工程师所带动。此外因为市场演化速度加快,成功的机率绝大部分取决于花费的时间与成本。因此,一个价格合理、弹性、生产就绪且可随时扩充的开放原码平台环境,就显得非常重要。

 

意法半导体已推出STM32开放式开发环境平台,让设计人员可以利用意法半导体的微控制器、传感器、射频与模拟产品,以非常具有弹性且价格合理的方式开发产品。这个硬件平台还提供搭配的软件驱动程序、中间件函式库与应用程序,还有相关的Android与iOS程序代码。 

 

用户也可以透过一份简单的计算机授权协议,存取各种先进数据库。一旦经过平台测试,设计人员就能开发自己专用的印刷电路板,并加载他们在平台上开发的固件。用户只有在想要测试专用电路板时,才必须签署数据库的生产授权。 

 

  • SensorTile

 

SensorTile是一种方形的微型化设计平台,其中包含远程感测及测量动作、环境与声学参数所需要的一切组件。开发人员能即刻专注于无人机的空气动力学、马达控制与物理设计,而不必担心联网功能与传感器整合。

 

结论

 

无人机是近年来最重要的创新技术之一。随着低功耗传感器与联网技术的问世,现在的无人机已可广泛应用于各种消费性及工业应用。无人机为开发人员及创新企业提供了新的商机,解决一些过去被认为是不实际或过于昂贵的复杂问题。意法半导体深信无人机是一个值得关注的重要市场,将持续致力于相关领域产品的开发。

 

来源:传感器技术

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