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無人機的傳感器與毗連功效

宣布時間:2017年05月26日 14:05    宣布者:eechina
要害詞: 無人機 , 無人飛翔器 , UAV
作者:意法半導體西北亞、紐澳及印度區資深手艺市場司理Vishal Goyal

簡介

無人機(drone)的正式稱謂為無人飛翔器(unmanned aerial vehicle),它是一種不須要人駕駛的飛翔器,主要經由歷程遙控或內設的智能控件阻拦操控。該若何經由歷程整合嵌入式系統,供應用具導航、自我平衡等功效并飛翔到特定高度,同時還能和位于遠真個應用者或機械交流信息,無人機就是一個最好的實例。

傳統下去說,無人機有數于進攻及迷信方面的應用,像是深刻偏僻有数地域、監控、天氣偵測或送貨到條件低劣的地域。比理由于低資源的微型低功耗嵌入式手艺問世,無人機徐徐被應用在破費性應用。現在無人機已成為玩具、攝影資助器材、送貨載農藥噴灑的工具等。

無人機吸引了種種人的濃重興趣,包羅創新企業、师长教员、系統整合商、處置賞罰妄图供應商、電商和科技供應商。無人機可令人類的生涯變得更好、更安然也更有用力。

感測器以低功耗群集毗連手艺泛起嚴严重年夜停留,是比來無人機得以飛快生長的要害所在,而本文也將對此加以詳細詮釋。

無人機的特點

無人機的行動必須異常準確,除穩固,還要能到飛翔到預期的高度并有用阻拦类似。是以,一臺最基礎的無人機必須具有以下特點:

a)    穩固
無人機應當要穩固,弗成無預警突然震驚、搖晃或傾斜,否則就會掉落去平衡并墜毀。

b)    準確
無人機的行動要異常準確。至于行動能夠指距離、速率、加速、偏向與高度。

c)    能反抗種種情形條件
無人神秘能反抗下雨、灰塵、高溫等情形狀態。而且不止外部材質,無人機外部所應用的電子零件也要云云/

d)    低功耗
無人機將會變得愈來愈輕,是以若何確保超低功耗以盡能够鐫汰電池尺寸就顯得特殊主要。低功耗手艺的崛起,已使得無人機手艺得以普及化。

e)    情形感知
情形傳感手艺徐徐崛起,成為無人機最要害的生長領域之一。現在的無人機都具有好幾種傳感器以監測情形。群集到的質料可用在種種應用,例如天氣監測、農業等用處。

f)    聯網功效
聯網功效是無人機崛起并廣為市場吸收的主要因素。無人機可經由歷程簡樸的智能手機、遙控器或直接經由歷程云端加以控制。應憑證不合應用案例,供應合適的聯網功效處置賞罰妄图。有的無人時機接納多種聯網功效處置賞罰妄图,以知足多用處應用案例的需求。

傳感器在無人機里所飾演的角色

焦點傳感器


這些傳感器位于無人機的焦點腸位,可確保裝配功效與導航正常運作。 這些傳感器包羅加速率計陀螺儀、磁羅盤與氣壓傳感器。

加速率計

加速率計是用來供應無人機在XYZ三軸偏向所遭受的加速力。它也能決議無人機在運動狀態時的傾斜角度。 當無人機泛起水岑寂止狀態,X軸與Y軸為0克輸入,而Z軸則為1克輸入。 地球上所有工具所遭受的重力均為1克。若要無人機X軸改變90度,那么就在X軸與Z軸施以0克輸入,Y軸則施以1克輸入。傾斜時,XYZ軸均施以0到1克之間的輸入。相關數值便可應用于三角公式,讓無人機到達特定傾斜角度。

加速率計同時也用來供應水平及垂直偏向的線性加速。相關數據可做為盤算速率、偏向,以致是無人機高度的變換率。 加速率計還可以用來監測無人機所遭受的震驚。

關于任何一款無人機來講,加速率計都是一個異常主要的傳感器,由于縱然無人機處于運動狀態,都要靠它供應要害輸入。

陀螺儀


陀螺儀傳感器能監測三軸的角速率,是以可監測出俯仰(pitch)、翻騰(roll)和偏擺(yaw)時角度的變換率。縱然是浅易飛翔器,陀螺儀都是相當主要的傳感器。角度信息的變換能用來保持無人機穩固并防止閑逛。由陀螺儀所供應的信息將匯入馬達控制驅動器,經由歷程靜態控制馬達速率,并供應馬達穩固度。 陀螺儀還能確保無人機憑證用戶控制裝配所設定的角度改變。

意法半導體新推出的創新手艺LSM6DSM,是一款團結加速率計與陀螺儀的慣性丈量裝配(IMU)。它還能供應兩項自力的陀螺儀輸入——這類特點能用于飛翔控制,同時當無人機裝備開麥拉的時間,也可用來穩固開麥拉(OIS光學影象穩固/EIS電子影象穩固功效)。

磁羅盤

正如稱謂所示,磁羅盤能為無人機供應偏向感。它能供應裝配在XYZ各軸向所遭受磁場的數據。接著相關數據會匯入微控制器的運算法,以供應磁北極相關的航向角,然后便可以用這些信息來偵測地理方位。

為了算出準確偏向,磁性數據還須要加速率計供應傾斜角度數據以補強信息。有了傾斜數據加上磁性數據,便可以盤算出準確方位。

磁羅盤關于硬鐵、軟鐵或運轉角度都異常敏感。所謂硬鐵是指傳感器相近的結實、永世性鐵磁性物質。 它能使羅盤讀數發生永世性偏移。 軟鐵則是指相近有弱鐵磁性物質,電路走線等。 它能讓傳感器讀數發生可更改移位。是以它也須要磁性傳感器校訂算法,以過濾掉落落這些異常狀態。 這時間辰最主要的是讓用戶不用辛勤,運算法便可以快速阻拦校訂。

除偏向的感測,磁性傳感器也能夠用來偵測周圍的磁性與含鐵金屬,例如電極、電線、車輛、其他無人機等等,以防止事故發生。

氣壓計

氣壓計運作的原理,就是應用年夜氣壓力換算出高度。 壓力傳感器能偵測地球的年夜氣壓力。 由氣壓計所供應的數據能協助無人機導航,上升到所需的高度。準確預計上升與降低速率,對無人機飛翔控制來講相當主要。意法半導體已推出LPS22HD壓力傳感器,數據速率達200Hz可知足意料高度時的需求。

無人機傳感器的主要特點


無人機很容易遭到極端狀態的影響,包羅震驚、噪音與情形。無人機里所應用的傳感器應當具有高度防震功效,擷取的噪音越少越好,而且速率夠快能吸收所有震驚。弗成以由于溫度、濕度等情形參數的變換就影響效能。 最后它還要耗電超低,以供應更高的電池續航力。

運算法所飾演的角色

要將原始的傳感器數據轉換成居心義的應用案例,軟件數據庫飾演了相當主要的角色。 算法可擴年夜傳感器功效,使其超出原來已知規模。運算法還能團結來自不合傳感器的輸入,發生具无情境感知特點的輸入。

加速率計、陀螺儀與磁羅盤這三種行動傳感器各有不合優弱點。傳感器的限制包羅校訂不夠完善,也會由于時間、溫度與隨機噪音而發生漂移。 磁力計與加速率計容易掉落真,陀螺儀則是原來就會泛起漂移情形。 我們可應用傳感器融合數據庫來相互校訂這些傳感器,以打造在所無情境下都能取得準確效果的條件。 它不只能供應校訂過的傳感器輸入,尚有角度與航向角的信息,和四元數角度。

特定應用傳感器


這類傳感器著實不影響無人機的焦點功效運作,但愈來愈常被用在無人機上,以供應種種不合應用,例如天氣監測、農耕用處等。

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天氣站、凝集高度監測、空氣密度監測與氣體傳感器丈量效果的修改。

意法半導體已推出HTS221濕度傳感器,其中包羅一個感測組件和一個模擬前端,可透過數字串行接口供應丈量信息。 這個感測組件包羅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換。

MEMS麥克風


MEMS麥克風是一種能將聲響頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。 MEMS麥克風正徐徐取代傳統麥克風,由于它們能供應更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性,面臨震驚時也加倍穩健。 這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監控、特務行動等應用。

無人機的聯網功效


無人機有種種不合的聯網手艺選項可推敲。 低功耗藍牙(BLE)與Wi-Fi多數用于智能手機聯網,Sub-1GHz則是用在遠程控制器,能供應更遠距離的聯網功效。

下圖枚舉了不合種手艺在有用距離與能耗方面的差異。 接上去我們將進一步談論辯說BLE、RF sub-1GHz 和Sigfox等低功率手艺。

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Bluetooth Smart低功耗藍牙手艺(BLE)

Bluetooth Smart又稱為低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy,BLE),能供應無人機低功耗的聯網功效。 這類手艺合適低階機種,特殊是玩具無人機。 它能讓無人機和做為控制裝配的智能手機、平板、手提電腦或公用遠程控制器阻拦雙向通訊。低功耗藍牙能讓無人機具有絕佳的電池續航力,這是應用Wi-Fi、傳統藍牙(Classical Bluetooth)等傳統無線手艺所弗成能到達的。
低功耗藍牙應用的是2.4GHz收費授權ISM頻段。相關尺度由藍牙手艺同盟(Bluetooth SIG)擔任治理,并支持各年夜智能手機品牌。

低功耗藍牙裝配有兩種主要做法:

a.    群集處置賞罰器
群集處置賞罰器是一種推行低功耗藍牙通訊協定的低功耗藍牙裝配,其中包羅控制器、主控組件與客棧。但它須要一個自力的微控制器,才氣搭配推行低功耗藍牙裝備文件和應用法式模范模范的主要微控制器并順遂運作。它也是一套自力的平臺,能供應更年夜的彈性空間,讓用戶選擇最合適的微控制器或操作系統。 BlueNRG-MS是意法半導體所推出的群集處置賞罰器,可支持BLE 4.1尺度。這款IC能同時擔負主控(master)與隸屬(slave),云云一來遠程搖控器便可以做為智能手機的隸屬裝配,同時也是無人機的主控裝配。

b.    系統芯片(SoC
系統芯片是一種自力的芯片組,包羅控制器、主控組件、客棧裝備文件和應用法式模范模范。 意法半導體的BlueNRG-1是一款經由歷程BLE 4.2認證的系統單芯片,其中包羅15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kb的RAM。由于支持BLE 4.2尺度,這類IC還能供應先進的安然與隱私功效。

RF sub-1GHz

正如稱謂所顯示,RF sub-1GHz是應用低于1GHz的頻率傳送訊號。 每個國家所界說的頻率不合,收費供應做為工業或迷信研究用處。

以下為各國所供應的收費頻段:
•    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頻率的利益是這些頻段相對較為清靜、距離較長且電流消耗量極低。 弱點是沒法直接供應智能手機聯機功效,而且著實不是每個地方都能應用。

Sigfox是接納sub-1GHz頻率的一種訂閱制低功耗廣域網(LPWAN)服務。 Sigfox能直接鏈接電信基础架構,然后轉接上云端。 它的連網功效有用規模可達數千米之遠。 用在無人機時,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础架構的低數據率手艺,是以浅易預感將沒法取代可以直接阻拦控制的聯網選項,例如低功耗藍牙,尚有RF sub-1GHz直接點對點聯機。

意法半導體比來推出了RF sub-1GHz與Sigfox收發器S2-LP。這款產物能在430-470 MHz和860-940 MHz頻段阻拦通訊。輸入功率最高達+16dbm,迅速度最低到-130dbm。這款超低電流IC可用于點對點聯機,在無人機與遠程搖控器之間建設鏈接。這款產物還經由歷程Sigfox認證,經由設定便可讓無人機直接連上Sigfox群集。

開發平臺

無人機等新興應用法式模范模范的崛起,主若是由創新企業與年輕一代的工程師所發動。此外由于市場演變速率加速,樂成的機率絕年夜部門取決于破費的時間與資源。是以,一個價錢公正、彈性、臨盆停當且可隨時擴年夜的開放原始碼平臺情形,就顯得異常主要。
意法半導體已推出STM32開放式開發情形平臺,讓設計職員可以應意圖法半導體的微控制器、傳感器、射頻與模擬產物,以異常具有彈性且價錢公正的要領開發產物。這個硬件平臺還供應搭配的軟件驅動法式模范模范、中央件函式庫與應用法式模范模范,尚有相關的Android與iOS法式模范模范代碼。

用戶也能夠透過一份簡樸的盤算機授權協定,存取種種先進數據庫。一旦經由平臺測試,設計職員便可以開發自己公用的印刷電路板,并加載他們在平臺上開發的固件。用戶只需在想要測試公用電路板時,才必須簽署數據庫的臨盆授權。

SensorTile

SensorTile是一種方形的微型化設計平臺,其中包羅遠程感測及丈量行動、情形與聲學參數所須要的一切組件。開發職員能馬上專注于無人機的空氣動力學、馬達控制與物理設計,而不用擔憂聯網功效與傳感器整合。

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結論

無人機是近年來最主要的創新手艺之一。隨著低功耗傳感器與聯網手艺的問世,現在的無人機已可普遍應用于種種破費性及工業應用。無人機為開發職員及創新企業供應了新的商機,處置賞罰一些之前被以為是不現實或過于昂貴的严重年夜效果。意法半導體堅信無人機是一個值得關注的主要市場,將一連起勁于相關領域產物的開發。

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yqxyqx 揭曉于 2017-6-1 10:48:37
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