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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，主要通過遙控或內設的智能控件進行操控。該如何通過整合嵌入式系統，提供器具導航、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。 傳統上來說，無人機常見于防御及科學方面的應用，像是深入偏遠地區、監控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地區。近來由于低成本的微型低功耗嵌入式技術問世，無人機逐漸被運用在消費性應用。現在無人機已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載農藥噴灑的工具等。 無人機吸引了各類人的濃厚興趣，包括創新企業、學生、系統整合商、解決方案供應商、電商以及科技供應商。無人機可使人類的生活變得更好、更安全也更有效率。 傳感器技術的重大進展，是近年來無人機得以飛快成長的關鍵所在，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，除了穩定，還要能到飛行到預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) 穩定 無人機應該要穩定，不可無預警突然震動、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) 能抵抗各種環境條件 無人機要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環境狀況。而且不止外部材質，無人機內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。低功耗技術的崛起，已使得無人機技術得以普及化。 e) 環境感知 環境傳感技術逐漸崛起，成為無人機最關鍵的發展領域之一。現在的無人機都具備好幾種傳感器以監測環境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象監測、農業等用途。 f) 聯網功能 聯網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。應根據不同使用案例，提供適合的聯網功能解決方案。有的無人機會采用多種聯網功能解決方案，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 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狀態時的傾斜角度。當無人機呈現水平靜止狀態，X軸與Y軸為0g輸出，而Z軸則為1g輸出。地球上所有對象所承受的重力均為1g。若要無人機X軸旋轉90度，那么就在X軸與Z軸施以0g輸出，Y軸則施以1g輸出。傾斜時，XYZ軸均施以0到1g之間的輸出。相關數值便可應用于三角公式，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。相關數據可做為計算速率、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狀態，都要靠它提供關鍵輸入。 陀螺儀 陀螺儀傳感器能監測三軸的角速度，因此可監測出俯仰（pitch）、翻滾（roll）和偏擺（yaw）時角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當重要的傳感器。角度信息的變化能用來維持無人機穩定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動器，通過動態控制馬達速度，并提供馬達穩定度。陀螺儀還能確保無人機根據用戶控制裝置所設定的角度旋轉。 意法半導體新推出的創新技術LSM6DSM，是一款結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，同時當無人機配備攝影機的時候，也可用來穩定攝影機（OIS光學影像穩定／EIS電子影像穩定功能）。 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據。接著相關數據會匯入微控制器的運算法，以提供磁北極相關的航向角，然后就能用這些信息來偵測地理方位。 為了算出正確方向，磁性數據還需要加速度計提供傾斜角度數據以補強信息。有了傾斜數據加上磁性數據，就能計算出正確方位。 磁羅盤對于硬鐵、軟鐵或運轉角度都非常敏感。所謂硬鐵是指傳感器附近的堅硬、永久性鐵磁性物質。它能使羅盤讀數產生永久性偏移。軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質，電路走線等。它能讓傳感器讀數產生可變動移位。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據能協助無人機導航，上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度，對無人機飛行控制來說相當重要。意法半導體已推出LPS22HB壓力傳感器，數據速率達200Hz可滿足預測高度時的需求。 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、噪音與環境。無人機里所使用的傳感器應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、濕度等環境參數的變化就影響效能。最后它還要耗電超低，以提供更高的電池續航力。 算法所扮演的角色 要將原始的傳感器數據轉換成有意義的使用案例，軟件數據庫扮演了相當重要的角色。算法可擴大傳感器功能，使其超越原本已知范圍。算法還能結合來自不同傳感器的輸入，產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漂移現象。我們可利用傳感器融合數據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，以及四元數角度。 特定應用傳感器 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，以提供各種不同應用，例如氣候監測、農耕用途等。 濕度傳感器 濕度傳感器能監測濕度參數，相關數據則可應用在氣象站、凝結高度監測、空氣密度監測與氣體傳感器測量結果的修正。 意法半導體已推出HTS221溫濕度傳感器，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平面晶體管結構，能監測相對濕度的變化。 MEMS麥克風 MEMS麥克風是一種能將聲音頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。 MEMS麥克風正逐漸取代傳統麥克風，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健。這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監控、間諜行動等應用。 開發平臺 無人機等新興應用程序的崛起，主要是由創新企業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、生產就緒且可隨時擴充的開放原碼平臺環境，就顯得非常重要。 意法半導體已推出STM32開放式開發環境平臺，讓設計人員可以利用意法半導體的微控制器、傳感器、射頻與模擬產品，以非常具有彈性且價格合理的方式開發產品。這個硬件平臺還提供搭配的軟件驅動程序、中間件函式庫與應用程序，還有相關的Android與iOS程序代碼。 用戶也可以透過一份簡單的計算機授權協議，存取各種先進數據庫。一旦經過平臺測試，設計人員就能開發自己專用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開發的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時，才必須簽署數據庫的生產授權。 SensorTile SensorTile是一種方形的微型化設計平臺，其中包含遠程感測及測量動作、環境與聲學參數所需要的一切組件。開發人員能即刻專注于無人機的空氣動力學、馬達控制與物理設計，而不必擔心聯網功能與傳感器整合。 結論 無人機是近年來最重要的創新技術之一。隨著低功耗傳感器與聯網技術的問世，現在的無人機已可廣泛應用于各種消費性及工業應用。無人機為開發人員及創新企業提供了新的商機，解決一些過去被認為是不實際或過于昂貴的復雜問題。意法半導體深信無人機是一個值得關注的重要市場，將持續致力于相關領域產品的開發。 ------ 微信公眾號 融創芯城（一站式電子元器件、PCB/PCBA購買，項目眾包，方案共享平臺） |
