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無(wú)人機(jī)的傳感器與連接功能介紹
專(zhuān)欄:技術(shù)支持
發(fā)布日期:2018-07-03
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無(wú)人機(jī)(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(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控。該如何通過(guò)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(shí)還能和位于遠(yuǎn)端的使用者或機(jī)器交換信息,無(wú)人機(jī)就是一個(gè)最好的實(shí)例。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō),無(wú)人機(jī)常見(jiàn)于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用,像是深入偏遠(yuǎn)地區(qū)、監(jiān)控、氣象偵測(cè)或送貨到條件惡劣的地...
無(wú)人機(jī)(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(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控。該如何通過(guò)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(shí)還能和位于遠(yuǎn)端的使用者或機(jī)器交換信息,無(wú)人機(jī)就是一個(gè)最好的實(shí)例。 傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō),無(wú)人機(jī)常見(jiàn)于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用,像是深入偏遠(yuǎn)地區(qū)、監(jiān)控、氣象偵測(cè)或送貨到條件惡劣的地區(qū)。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(jī)逐漸被運(yùn)用在消費(fèi)性應(yīng)用?,F(xiàn)在無(wú)人機(jī)已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載農(nóng)藥噴灑的工具等。 無(wú)人機(jī)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(tǒng)整合商、解決方案供應(yīng)商、電商以及科技供應(yīng)商。無(wú)人機(jī)可使人類(lèi)的生活變得更好、更安全也更有效率。 感測(cè)器以低功耗網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)出現(xiàn)重大進(jìn)展,是近來(lái)無(wú)人機(jī)得以飛快成長(zhǎng)的關(guān)鍵所在,而本文也將對(duì)此加以詳細(xì)說(shuō)明。 無(wú)人機(jī)的特性 無(wú)人機(jī)的動(dòng)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(jìn)行溝通。因此,一臺(tái)最基本的無(wú)人機(jī)必須具備以下特性: a) 穩(wěn)定 無(wú)人機(jī)應(yīng)該要穩(wěn)定,不可無(wú)預(yù)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(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)部所使用的電子零件也要如此。 d) 低功耗 無(wú)人機(jī)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(jī)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(jī)最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?,F(xiàn)在的無(wú)人機(jī)都具備好幾種傳感器以監(jiān)測(cè)環(huán)境。收集到的資料可用在各種應(yīng)用,例如氣象監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等用途。 f) 聯(lián)網(wǎng)功能 聯(lián)網(wǎng)功能是無(wú)人機(jī)崛起并廣為市場(chǎng)接受的重要因素。無(wú)人機(jī)可通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機(jī)、遙控器或直接通過(guò)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(wú)人機(jī)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(jī)里所扮演的角色,位于無(wú)人機(jī)的核心位置,可確保裝置功能與導(dǎo)航正常運(yùn)作。這些傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤(pán)與氣壓傳感器。 加速度計(jì) 加速度計(jì)是用來(lái)提供無(wú)人機(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無(wú)人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的傾斜角度。當(dāng)無(wú)人機(jī)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(duì)象所承受的重力均為1克。若要無(wú)人機(jī)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(shí),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(wú)人機(jī)達(dá)到特定傾斜角度。 加速度計(jì)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(shù)據(jù)可做為計(jì)算速率、方向,甚至是無(wú)人機(jī)高度的變化率。加速度計(jì)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)所承受的震動(dòng)。 對(duì)于任何一款無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō),加速度計(jì)都是一個(gè)非常重要的傳感器,因?yàn)榧词篃o(wú)人機(jī)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(cè)三軸的角速度,因此可監(jiān)測(cè)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(dāng)重要的傳感器。角度信息的變化能用來(lái)維持無(wú)人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)動(dòng)態(tài)控制馬達(dá)速度,并提供馬達(dá)穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無(wú)人機(jī)根據(jù)用戶(hù)控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)。 磁羅盤(pán) 正如名稱(chēng)所示,磁羅盤(pán)能為無(wú)人機(jī)提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)匯入微控制器的運(yùn)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(cè)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(jì)提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補(bǔ)強(qiáng)信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù),就能計(jì)算出正確方位。 磁羅盤(pán)對(duì)于硬鐵、軟鐵或運(yùn)轉(zhuǎn)角度都非常敏感。所謂硬鐵是指傳感器附近的堅(jiān)硬、永久性鐵磁性物質(zhì)。它能使羅盤(pán)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(xiàn)等。 它能讓傳感器讀數(shù)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(fèi)力,運(yùn)算法就能快速進(jìn)行校正。 除了方向的感測(cè),磁性傳感器也可以用來(lái)偵測(cè)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(jī)等等,以避免事故發(fā)生。 氣壓計(jì) 氣壓計(jì)運(yùn)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(cè)地球的大氣壓力。由氣壓計(jì)所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無(wú)人機(jī)導(dǎo)航,上升到所需的高度。準(zhǔn)確估計(jì)上升與下降速度,對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制來(lái)說(shuō)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(dá)200Hz可滿(mǎn)足預(yù)測(cè)高度時(shí)的需求。 無(wú)人機(jī)傳感器的重要特點(diǎn) 無(wú)人機(jī)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(jī)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(dòng)。不可以因?yàn)闇囟取穸鹊拳h(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(yùn)算法所扮演的角色 要將原始的傳感器件數(shù)據(jù)庫(kù)扮演了相當(dāng)重要的角色。算法可擴(kuò)大傳感器功能,使其超越原本已知范圍。運(yùn)算法還能結(jié)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(jì)、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?yàn)闀r(shí)間、溫度與隨機(jī)噪音而產(chǎn)生漂移。磁力計(jì)與加速度計(jì)容易失真,陀螺儀則是原本就會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。我們可利用傳感器融合數(shù)據(jù)庫(kù)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(jié)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(shù)角度。 特定應(yīng)用傳感器 這類(lèi)傳感器并不影響無(wú)人機(jī)的核心功能運(yùn)作,但越來(lái)越常被用在無(wú)人機(jī)上,以提供各種不同應(yīng)用,例如氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)耕用途等。 濕度傳感器 濕度傳感器能監(jiān)測(cè)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(cè)、空氣密度監(jiān)測(cè)與氣體傳感器測(cè)量結(jié)果的修正。 MEMS麥克風(fēng) MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號(hào)轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風(fēng),因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩挠嵲氡?SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性,面對(duì)震動(dòng)時(shí)也更加穩(wěn)健。這類(lèi)傳感器可用在無(wú)人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動(dòng)等應(yīng)用。 無(wú)人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能 無(wú)人機(jī)有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項(xiàng)可考慮。低功耗藍(lán)牙(BLE)與Wi-Fi多半用于智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng),Sub-1GHz則是用在遠(yuǎn)程控制器,能提供更遠(yuǎn)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、RFsub-1GHz以及Sigfox等低功率技術(shù)。 Bluetooth Smart低功耗藍(lán)牙技術(shù)(BLE) Bluetooth Smart又稱(chēng)為低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy,BLE),能提供無(wú)人機(jī)低功耗的聯(lián)網(wǎng)功能。這種技術(shù)適合低階機(jī)種,特別是玩具無(wú)人機(jī)。它能讓無(wú)人機(jī)和做為控制裝置的智能手機(jī)、平板、手提電腦或?qū)S眠h(yuǎn)程控制器進(jìn)行雙向通訊。低功耗藍(lán)牙能讓無(wú)人機(jī)具備絕佳的電池續(xù)航力,這是使用Wi-Fi、傳統(tǒng)藍(lán)牙(Classical Bluetooth)等傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)所不可能達(dá)到的。 低功耗藍(lán)牙使用的是2.4GHz免費(fèi)授權(quán)ISM頻段。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)負(fù)責(zé)管理,并支持各大智能手機(jī)品牌。 低功耗藍(lán)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(lán)牙通訊協(xié)議的低功耗藍(lán)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(dú)立的微控制器,才能搭配執(zhí)行低功耗藍(lán)牙配置文件和應(yīng)用程序的主要微控制器并順利運(yùn)作。它也是一套獨(dú)立的平臺(tái),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(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(shí)擔(dān)任主控(master)與從屬(slave),如此一來(lái)遠(yuǎn)程搖控器就能做為智能手機(jī)的從屬裝置,同時(shí)也是無(wú)人機(jī)的主控裝置。 b.系統(tǒng)芯片(SoC) 系統(tǒng)芯片是一種獨(dú)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(guò)BLE4.2認(rèn)證的系統(tǒng)單芯片,其中包含15個(gè)GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因?yàn)橹С諦LE4.2規(guī)范,這種IC還能提供先進(jìn)的安全與隱私功能。 RFsub-1GHz 正如名稱(chēng)所顯示,RFsub-1GHz是利用低于1GHz的頻率傳送訊號(hào)。每個(gè)國(guó)家所定義的頻率不同,免費(fèi)提供做為工業(yè)或科學(xué)研究用途。 以下為各國(guó)所提供的免費(fèi)頻段: NorthAmerica :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(duì)較為安靜、距離較長(zhǎng)且電流消耗量極低。缺點(diǎn)是無(wú)法直接提供智能手機(jī)聯(lián)機(jī)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(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(dá)數(shù)公里之遠(yuǎn)。 用在無(wú)人機(jī)時(shí),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(wú)法取代可以直接進(jìn)行控制的聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng),例如低功耗藍(lán)牙,還有RF sub-1GHz直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)機(jī)。 開(kāi)發(fā)平臺(tái) 無(wú)人機(jī)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(dòng)。此外因?yàn)槭袌?chǎng)演化速度加快,成功的機(jī)率絕大部分取決于花費(fèi)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(kuò)充的開(kāi)放原始碼平臺(tái)環(huán)境,就顯得非常重要。 用戶(hù)也可以透過(guò)一份簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)授權(quán)協(xié)議,存取各種先進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦經(jīng)過(guò)平臺(tái)測(cè)試,設(shè)計(jì)人員就能開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)用的印刷電路板,并加載他們?cè)谄脚_(tái)上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在想要測(cè)試專(zhuān)用電路板時(shí),才必須簽署數(shù)據(jù)庫(kù)的生產(chǎn)授權(quán)。 SensorTile SensorTile是一種方形的微型化設(shè)計(jì)平臺(tái),其中包含遠(yuǎn)程感測(cè)及測(cè)量動(dòng)作、環(huán)境與聲學(xué)參數(shù)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(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)、馬達(dá)控制與物理設(shè)計(jì),而不必?fù)?dān)心聯(lián)網(wǎng)功能與傳感器整合。 結(jié)論 無(wú)人機(jī)是近年來(lái)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(wèn)世,現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)已可廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)性及工業(yè)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)為開(kāi)發(fā)人員及創(chuàng)新企業(yè)提供了新的商機(jī),解決一些過(guò)去被認(rèn)為是不實(shí)際或過(guò)于昂貴的復(fù)雜問(wèn)題。意法半導(dǎo)體深信無(wú)人機(jī)是一個(gè)值得關(guān)注的重要市場(chǎng),將持續(xù)致力于相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 |