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作者：意法半導體東南亞、紐澳及印度區資深技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理Vishal Goyal 簡(jiǎn)介 無(wú)人機（drone）的正式名稱(chēng)為無(wú)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(guò)遙控或內設的智能控件進(jìn)行操控。該如何通過(guò)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(shí)還能和位于遠端的使用者或機器交換信息，無(wú)人機就是一個(gè)最好的實(shí)例。 傳統上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機常見(jiàn)于防御及科學(xué)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(lái)由于低成本的微型低功耗嵌入式技術(shù)問(wèn)世，無(wú)人機逐漸被運用在消費性應用�，F在無(wú)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(wú)人機吸引了各類(lèi)人的濃厚興趣，包括創(chuàng )新企業(yè)、學(xué)生、系統整合商、解決方案供應商、電商以及科技供應商。無(wú)人機可使人類(lèi)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)出現重大進(jìn)展，是近來(lái)無(wú)人機得以飛快成長(cháng)的關(guān)鍵所在，而本文也將對此加以詳細說(shuō)明。 無(wú)人機的特性 無(wú)人機的動(dòng)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(jìn)行溝通。因此，一臺最基本的無(wú)人機必須具備以下特性： a) 穩定 無(wú)人機應該要穩定，不可無(wú)預警突然震動(dòng)、搖晃或傾斜，否則就會(huì )失去平衡并墜毀。 b) 精確 無(wú)人機的動(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。 c) 能抵抗各種環(huán)境條件 無(wú)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(wú)人機內部所使用的電子零件也要如此/ d) 低功耗 無(wú)人機將會(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(wú)人機最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一�，F在的無(wú)人機都具備好幾種傳感器以監測環(huán)境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象監測、農業(yè)等用途。 f) 聯(lián)網(wǎng)功能 聯(lián)網(wǎng)功能是無(wú)人機崛起并廣為市場(chǎng)接受的重要因素。無(wú)人機可通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機、遙控器或直接通過(guò)云端加以控制。應根據不同使用案例，提供適合的聯(lián)網(wǎng)功能解決方案。有的無(wú)人機會(huì )采用多種聯(lián)網(wǎng)功能解決方案，以滿(mǎn)足多用途使用案例的需求。 傳感器在無(wú)人機里所扮演的角色 核心傳感器 這些傳感器位于無(wú)人機的核心位置，可確保裝置功能與導航正常運作。 這些傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁羅盤(pán)與氣壓傳感器。 加速度計 加速度計是用來(lái)提供無(wú)人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無(wú)人機在靜止狀態(tài)時(shí)的傾斜角度。 當無(wú)人機呈現水平靜止狀態(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(wú)人機X軸旋轉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)數值便可應用于三角公式，讓無(wú)人機達到特定傾斜角度。 加速度計同時(shí)也用來(lái)提供水平及垂直方向的線(xiàn)性加速。相關(guān)數據可做為計算速率、方向，甚至是無(wú)人機高度的變化率。 加速度計還可以用來(lái)監測無(wú)人機所承受的震動(dòng)。 對于任何一款無(wú)人機來(lái)說(shuō)，加速度計都是一個(gè)非常重要的傳感器，因為即使無(wú)人機處于靜止狀態(tài)，都要靠它提供關(guān)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(shí)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(lái)維持無(wú)人機穩定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動(dòng)器，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩定度。 陀螺儀還能確保無(wú)人機根據用戶(hù)控制裝置所設定的角度旋轉。 意法半導體新推出的創(chuàng )新技術(shù)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(shí)當無(wú)人機配備攝影機的時(shí)候，也可用來(lái)穩定攝影機（OIS光學(xué)影像穩定／EIS電子影像穩定功能）。 磁羅盤(pán) 正如名稱(chēng)所示，磁羅盤(pán)能為無(wú)人機提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場(chǎng)的數據。接著(zhù)相關(guān)數據會(huì )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(lái)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(pán)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(zhì)。 它能使羅盤(pán)讀數產(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(xiàn)等。 它能讓傳感器讀數產(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(hù)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(lái)偵測四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線(xiàn)、車(chē)輛、其他無(wú)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據能協(xié)助無(wú)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(wú)人機飛行控制來(lái)說(shuō)相當重要。意法半導體已推出LPS22HD壓力傳感器，數據速率達200Hz可滿(mǎn)足預測高度時(shí)的需求。 無(wú)人機傳感器的重要特點(diǎn) 無(wú)人機很容易受到極端狀況的影響，包括震動(dòng)、噪音與環(huán)境。無(wú)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(dòng)。不可以因為溫度、濕度等環(huán)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。 運算法所扮演的角色 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。運算法還能結合來(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、陀螺儀與磁羅盤(pán)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 )因為時(shí)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(huì )出現漂移現象。 我們可利用傳感器融合數據庫來(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，以及四元數角度。 特定應用傳感器 這類(lèi)傳感器并不影響無(wú)人機的核心功能運作，但越來(lái)越常被用在無(wú)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(guān)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濕度傳感器，其中包含一個(gè)感測組件和一個(gè)模擬前端，可透過(guò)數字串行接口提供測量信息。 這個(gè)感測組件包含了一個(gè)高分子介電質(zhì)平面晶體管結構，能監測相對濕度的變化。 MEMS麥克風(fēng) MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。 MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統麥克風(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(dòng)時(shí)也更加穩健。 這類(lèi)傳感器可用在無(wú)人機的影片拍攝、監控、間諜行動(dòng)等應用。 無(wú)人機的聯(lián)網(wǎng)功能 無(wú)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(lái)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低功耗藍牙技術(shù)（BLE） Bluetooth Smart又稱(chēng)為低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE），能提供無(wú)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(wú)人機。 它能讓無(wú)人機和做為控制裝置的智能手機、平板、手提電腦或專(zhuān)用遠程控制器進(jìn)行雙向通訊。低功耗藍牙能讓無(wú)人機具備絕佳的電池續航力，這是使用Wi-Fi、傳統藍牙（Classical Bluetooth）等傳統無(wú)線(xiàn)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ISM頻段。相關(guān)標準由藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）負責管理，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(gè)獨立的微控制器，才能搭配執行低功耗藍牙配置文件和應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(hù)選擇最適合的微控制器或操作系統。 BlueNRG-MS是意法半導體所推出的網(wǎng)絡(luò )處理器，可支持BLE 4.1規范。這款I(lǐng)C能同時(shí)擔任主控(master)與從屬(slave)，如此一來(lái)遠程搖控器就能做為智能手機的從屬裝置，同時(shí)也是無(wú)人機的主控裝置。 b. 系統芯片（SoC） 系統芯片是一種獨立的芯片組，包含控制器、主控組件、堆棧配置文件和應用程序。 意法半導體的BlueNRG-1是一款通過(guò)BLE 4.2認證的系統單芯片，其中包含15個(gè)GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因為支持BLE 4.2規范，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(chēng)所顯示，RF sub-1GHz是利用低于1GHz的頻率傳送訊號。 每個(gè)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(cháng)且電流消耗量極低。 缺點(diǎn)是無(wú)法直接提供智能手機聯(lián)機功能，而且并不是每個(gè)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架構，然后轉接上云端。 它的連網(wǎng)功能有效范圍可達數公里之遠。 用在無(wú)人機時(shí)，Sigfox可追蹤并將傳感器數據傳送到云端。它是一種直接鏈接電信基礎架構的低數據率技術(shù)，因此一般預料將無(wú)法取代可以直接進(jìn)行控制的聯(lián)網(wǎng)選項，例如低功耗藍牙，還有RF sub-1GHz直接點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)機。 意法半導體最近推出了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+16dbm，靈敏度最低到-130dbm。這款超低電流IC可用于點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)機，在無(wú)人機與遠程搖控器之間建立鏈接。這款產(chǎn)品還通過(guò)Sigfox認證，經(jīng)過(guò)設定即可讓無(wú)人機直接連上Sigfox網(wǎng)絡(luò )。 開(kāi)發(fā)平臺 無(wú)人機等新興應用程序的崛起，主要是由創(chuàng )新企業(yè)與年輕一代的工程師所帶動(dòng)。此外因為市場(chǎng)演化速度加快，成功的機率絕大部分取決于花費的時(shí)間與成本。因此，一個(gè)價(jià)格合理、彈性、生產(chǎn)就緒且可隨時(shí)擴充的開(kāi)放原始碼平臺環(huán)境，就顯得非常重要。 意法半導體已推出STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)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(chǎn)品，以非常具有彈性且價(jià)格合理的方式開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。這個(gè)硬件平臺還提供搭配的軟件驅動(dòng)程序、中間件函式庫與應用程序，還有相關(guān)的Android與iOS程序代碼。 用戶(hù)也可以透過(guò)一份簡(jiǎn)單的計算機授權協(xié)議，存取各種先進(jìn)數據庫。一旦經(jīng)過(guò)平臺測試，設計人員就能開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在想要測試專(zhuān)用電路板時(shí)，才必須簽署數據庫的生產(chǎn)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(dòng)作、環(huán)境與聲學(xué)參數所需要的一切組件。開(kāi)發(fā)人員能即刻專(zhuān)注于無(wú)人機的空氣動(dòng)力學(xué)、馬達控制與物理設計，而不必擔心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。
結論 無(wú)人機是近年來(lái)最重要的創(chuàng )新技術(shù)之一。隨著(zhù)低功耗傳感器與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問(wèn)世，現在的無(wú)人機已可廣泛應用于各種消費性及工業(yè)應用。無(wú)人機為開(kāi)發(fā)人員及創(chuàng )新企業(yè)提供了新的商機，解決一些過(guò)去被認為是不實(shí)際或過(guò)于昂貴的復雜問(wèn)題。意法半導體深信無(wú)人機是一個(gè)值得關(guān)注的重要市場(chǎng)，將持續致力于相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 |
