無人機上的感測器，一篇圖文講清楚

如今，無人機已經廣泛應用於氣象監測、國土資源執法、環境保護、遙感航拍、抗震救災、快遞運送等領域。隨著物聯網的發展，無人機對物聯網技術的運用不斷增加，為了能更好的控制無人機的飛行，各種感測器的運用則起到了十分重要的作用。

因此，有人將無人機稱為一架會飛行的「感測器」。那麼，無人機能在天上實現穩定的飛行，完成不同的動作，需要用到哪些感測器呢?

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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並有效進行溝通。因此，一台最基本的無人機必須具備以下特性：

穩定：無人機應該要穩定，不可無預警突然震動、搖晃或傾斜，否則就會失去平衡並墜毀。

精確：無人機的動作要非常精確。至於動作可能指距離、速度、加速、方向與高度。

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。

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。

環境感知：環境感測技術逐漸崛起，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感測器以監測環境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象監測、農業等用途。

聯網功能：聯網功能是無人機崛起並廣為市場接受的重要因素。無人機可通過簡單的智能手機、遙控器或直接通過雲端加以控制。應根據不同使用案例，提供適合的聯網功能解決方案。有的無人機會採用多種聯網功能解決方案，以滿足多用途使用案例的需求。

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飛行控制器

飛行控制器（FC）相當於無人機的大腦，如果放在電腦以及手機上來說就相當於操作系統。飛行控制器通過無人機上搭載的各類感測器獲得數據，對這些數據進行演算處理從而控制機體的飛行。除此之外，飛行控制器也承擔信息傳遞的職責。

飛行控制器內部主要由兩大部分構成——IMU（慣性檢測裝置）和CPS模塊。可以說無人機的飛行性能的高與低，就取決於這個飛行控制器。無人機平穩飛行不可缺少的飛行控制器中的內部感測器（IMU）。IMU指的是慣性測量單元，大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人，也被用在需要用姿態進行精密位移推算的場合。一般來說IMU就包含了加速度感測器和陀螺儀。

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無人機上的感測器

IMU位於無人機的核心位置，可確保裝置功能與導航正常運作。這些感測器包括加速度計、陀螺儀、磁羅盤與氣壓感測器。

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90度，那麼就在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。相關數值便可應用於三角公式，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。

對於任何一款無人機來說，加速度計都是一個非常重要的感測器，因為即使無人機處於靜止狀態，都要靠它提供關鍵輸入。

陀螺儀

陀螺儀感測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感測器。角度信息的變化能用來維持無人機穩定並防止晃動。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，並提供馬達穩定度。 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。

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演算法，以提供磁北極相關的航向角，然後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。

磁羅盤對於硬鐵、軟鐵或運轉角度都非常敏感。所謂硬鐵是指感測器附近的堅硬、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。 它能讓感測器讀數產生可變動移位。因此它也需要磁性感測器校正演算法，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，運演算法就能快速進行校正。

除了方向的感測，磁性感測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。 壓力感測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LPS22HD壓力感測器，數據速率達200Hz可滿足預測高度時的需求。

超聲波感測器

無人機採用超聲波感測器就是利用超聲波碰到其他物質會反彈這一特性，進行高度控制。前面就提到過近地面的時候，利用氣壓感測器是無法應對的。但是利用超聲波感測器在近地面就能夠實現高度控制。這樣一來氣壓感測器同超聲波感測器一結合，就可以實現無人機無論是在高空還是低空都能夠平穩飛行。

GPS

如同汽車有導航系統一般，無人機也有導航系統。通過GPS，才可能知道無人機機體的位置信息。GPS是全球導航系統之一，是美國的衛星導航系統。不過最近的無人機開始不單單採用GPS了，有些機型會同時利用GPS與其他的衛星導航系統相結合，同時接收多種信號，檢測無人機位置。無論是設定經度緯度進行自動飛行，還是保持定位進行懸停，GPS都是極其重要的一大功能。

不過由於衛星自己會經常移動，同時受建築物與磁場的影響，也存在接收不到GPS信號的情況。這一點是值得注意的。

當然除了上述的幾種感測器，無人機中還可能會用到檢測電壓電流狀態的感測器、檢測障礙物的紅外線感測器。正是由這些宛如人感官一般的感測器在無人機中發揮作用，無人機才能夠在空中平穩飛行。

特定應用感測器

這類感測器並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。

濕度感測器：濕度感測器能監測濕度參數，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感測器測量結果的修正。

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感測器。 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。 這類感測器可用在無人機的影片拍攝、監控、間諜行動等應用。

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感測器數據的運算和傳輸

要將原始的感測器數據轉換成有意義的使用案例，軟體資料庫扮演了相當重要的角色。 演算法可擴大感測器功能，使其超越原本已知範圍。運演算法還能結合來自不同感測器的輸入，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感測器各有不同優缺點。感測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。 我們可利用感測器融合資料庫來相互校正這些感測器，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感測器輸出，還有角度與航向角的信息，以及四元數角度。

用戶也可以透過一份簡單的計算機授權協議，存取各種先進資料庫。一旦經過平台測試，設計人員就能開發自己專用的印刷電路板，並載入他們在平台上開發的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時，才必須簽署資料庫的生產授權。

SensorTile：SensorTile是一種方形的微型化設計平台，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。開發人員能即刻專註於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感測器整合。

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無人機的聯網

無人機有各種不同的聯網技術選項可考慮。 低功耗藍牙(BLE)與Wi-Fi多半用於智能手機聯網，Sub-1GHz則是用在遠程控制器，能提供更遠距離的聯網功能。

下圖列舉了不同種技術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。

Bluetooth Smart

低功耗藍牙技術(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網功能。 這種技術適合低階機種，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、手提電腦或專用遠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航力，這是使用Wi-Fi、傳統藍牙(Classical Bluetooth)等傳統無線技術所不可能達到的。

低功耗藍牙使用的是2.4GHz免費授權ISM頻段。相關標準由藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)負責管理，並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. 網路處理器

網路處理器是一種執行低功耗藍牙通訊協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，才能搭配執行低功耗藍牙配置文件和應用程序的主要微控制器並順利運作。它也是一套獨立的平台，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。 BlueNRG-MS是意法半導體所推出的網路處理器，可支持BLE 4.1規範。這款IC能同時擔任主控(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. 系統晶元(SoC)

系統晶元是一種獨立的晶元組，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BLE 4.2認證的系統單晶元，其中包含15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因為支持BLE 4.2規範，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是利用低於1GHz的頻率傳送訊號。 每個國家所定義的頻率不同，免費提供做為工業或科學研究用途。

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機功能，而且並不是每個地方都能使用。

無人機是近年來最重要的創新技術之一。隨著低功耗感測器與聯網技術的問世，現在的無人機已可廣泛應用於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於昂貴的複雜問題。

文章來源：感測器技術

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