无人机上的传感器:数据的运算和传输

随着无人机技术的进步，无人机逐渐由军用领域拓展到了民用领域，并成为近几年迅速发展的新兴产业。如今，无人机已经广泛应用于气象监测、国土资源执法、环境保护、遥感航拍、抗震救灾、快递运送等领域。 随着物联网的发展，无人机对物联网技术的运用不断增加，为了能更好的控制无人机的飞行，各种传感器的运用则起到了十分重要的作用。因此，有人将无人机称为一架会飞行的“传感器”。那么，无人机能在天上实现稳定的飞行，完成不同的动作，需要用到哪些传感器呢?

无人机的特性

无人机的动作必须非常精确，除了稳定，还要能到飞行到预期的高度并有效进行沟通。因此，一台最基本的无人机必须具备以下特性：

稳定

无人机应该要稳定，不可无预警突然震动、摇晃或倾斜，否则就会失去平衡并坠毁。

精确

无人机的动作要非常精确。至于动作可能指距离、速度、加速、方向与高度。

能抵抗各种环境条件

无人机要能抵抗下雨、灰尘、高温等环境状况。而且不止外部材质，无人机内部所使用的电子零件也要如此。

低功耗

无人机将会变得越来越轻，因此如何确保超低功耗以尽量缩小电池尺寸就显得尤为重要。低功耗技术的崛起，已使得无人机技术得以普及化。

环境感知

环境传感技术逐渐崛起，成为无人机最关键的发展领域之一。现在的无人机都具备好几种传感器以监测环境。收集到的资料可用在各种应用，例如气象监测、农业等用途。

联网功能

联网功能是无人机崛起并广为市场接受的重要因素。无人机可通过简单的智能手机、遥控器或直接通过云端加以控制。应根据不同使用案例，提供适合的联网功能解决方案。有的无人机会采用多种联网功能解决方案，以满足多用途使用案例的需求。

飞行控制器

飞行控制器（FC）相当于无人机的大脑，如果放在电脑以及手机上来说就相当于操作系统。飞行控制器通过无人机上搭载的各类传感器获得数据，对这些数据进行演算处理从而控制机体的飞行。除此之外，飞行控制器也承担信息传递的职责。

飞行控制器内部主要由两大部分构成——IMU（惯性检测装置）和CPS模块。可以说无人机的飞行性能的高与低，就取决于这个飞行控制器。无人机平稳飞行不可缺少的飞行控制器中的内部传感器（IMU）。IMU指的是惯性测量单元，大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人，也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合。一般来说IMU就包含了加速度传感器和陀螺仪。

无人机上的传感器

IMU位于无人机的核心位置，可确保装置功能与导航正常运作。这些传感器包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘与气压传感器。

加速度计

加速度计是用来提供无人机在XYZ三轴方向所承受的加速力。它也能决定无人机在静止状态时的倾斜角度。当无人机呈现水平静止状态，X轴与Y轴为0克输出，而Z轴则为1克输出。地球上所有对象所承受的重力均为1克。若要无人机X轴旋转90度，那么就在X轴与Z轴施以0克输出，Y轴则施以1克输出。倾斜时，XYZ轴均施以0到1克之间的输出。相关数值便可应用于三角公式，让无人机达到特定倾斜角度。

加速度计同时也用来提供水平及垂直方向的线性加速。相关数据可做为计算速率、方向，甚至是无人机高度的变化率。加速度计还可以用来监测无人机所承受的震动。

对于任何一款无人机来说，加速度计都是一个非常重要的传感器，因为即使无人机处于静止状态，都要靠它提供关键输入。

陀螺仪

陀螺仪传感器能监测三轴的角速度，因此可监测出俯仰(pitch)、翻滚(roll)和偏摆(yaw)时角度的变化率。即使是一般飞行器，陀螺仪都是相当重要的传感器。角度信息的变化能用来维持无人机稳定并防止晃动。由陀螺仪所提供的信息将汇入马达控制驱动器，通过动态控制马达速度，并提供马达稳定度。陀螺仪还能确保无人机根据用户控制装置所设定的角度旋转。

磁罗盘

正如名称所示，磁罗盘能为无人机提供方向感。它能提供装置在XYZ各轴向所承受磁场的数据。接着相关数据会汇入微控制器的运算法，以提供磁北极相关的航向角，然后就能用这些信息来侦测地理方位。

为了算出正确方向，磁性数据还需要加速度计提供倾斜角度数据以补强信息。有了倾斜数据加上磁性数据，就能计算出正确方位。

磁罗盘对于硬铁、软铁或运转角度都非常敏感。所谓硬铁是指传感器附近的坚硬、永久性铁磁性物质。它能使罗盘读数产生永久性偏移。软铁则是指附近有弱铁磁性物质，电路走线等。它能让传感器读数产生可变动移位。因此它也需要磁性传感器校正算法，以过滤掉这些异常状况。这时候最重要的是让用户不必费力，运算法就能快速进行校正。

除了方向的感测，磁性传感器也可以用来侦测四周的磁性与含铁金属，例如电极、电线、车辆、其他无人机等等，以避免事故发生。

气压计

气压计运作的原理，就是利用大气压力换算出高度。压力传感器能侦测地球的大气压力。由气压计所提供的数据能协助无人机导航，上升到所需的高度。准确估计上升与下降速度，对无人机飞行控制来说相当重要。意法半导体已推出LPS22HD压力传感器，数据速率达200Hz可满足预测高度时的需求。

超声波传感器

无人机采用超声波传感器就是利用超声波碰到其他物质会反弹这一特性，进行高度控制。前面就提到过近地面的时候，利用气压传感器是无法应对的。但是利用超声波传感器在近地面就能够实现高度控制。这样一来气压传感器同超声波传感器一结合，就可以实现无人机无论是在高空还是低空都能够平稳飞行。

GPS

如同汽车有导航系统一般，无人机也有导航系统。通过GPS，才可能知道无人机机体的位置信息。GPS是全球导航系统之一，是美国的卫星导航系统。不过最近的无人机开始不单单采用GPS了，有些机型会同时利用GPS与其他的卫星导航系统相结合，同时接收多种信号，检测无人机位置。无论是设定经度纬度进行自动飞行，还是保持定位进行悬停，GPS都是极其重要的一大功能。

不过由于卫星自己会经常移动，同时受建筑物与磁场的影响，也存在接收不到GPS信号的情况。这一点是值得注意的。

当然除了上述的几种传感器，无人机中还可能会用到检测电压电流状态的传感器、检测障碍物的红外线传感器。正是由这些宛如人感官一般的传感器在无人机中发挥作用，无人机才能够在空中平稳飞行。

特定应用传感器

这类传感器并不影响无人机的核心功能运作，但越来越常被用在无人机上，以提供各种不同应用，例如气候监测、农耕用途等。

湿度传感器：湿度传感器能监测湿度参数，相关数据则可应用在气象站、凝结高度监测、空气密度监测与气体传感器测量结果的修正。

MEMS麦克风：MEMS麦克风是一种能将声音频号转换为电子讯号的音频传感器。MEMS麦克风正逐渐取代传统麦克风，因为它们能提供更高的讯噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射频抗扰性，面对震动时也更加稳健。这类传感器可用在无人机的影片拍摄、监控、间谍行动等应用。

传感器数据的运算和传输

要将原始的传感器数据转换成有意义的使用案例，软件数据库扮演了相当重要的角色。算法可扩大传感器功能，使其超越原本已知范围。运算法还能结合来自不同传感器的输入，产生具备情境感知特色的输出。

加速度计、陀螺仪与磁罗盘这三种动作传感器各有不同优缺点。传感器的限制包括校正不够完美，也会因为时间、温度与随机噪音而产生漂移。磁力计与加速度计容易失真，陀螺仪则是原本就会出现漂移现象。我们可利用传感器融合数据库来相互校正这些传感器，以打造在所有情境下都能得到正确结果的条件。它不只能提供校正过的传感器输出，还有角度与航向角的信息，以及四元数角度。

用户也可以透过一份简单的计算机授权协议，存取各种先进数据库。一旦经过平台测试，设计人员就能开发自己专用的印刷电路板，并加载他们在平台上开发的固件。用户只有在想要测试专用电路板时，才必须签署数据库的生产授权。

SensorTile：SensorTile是一种方形的微型化设计平台，其中包含远程感测及测量动作、环境与声学参数所需要的一切组件。开发人员能即刻专注于无人机的空气动力学、马达控制与物理设计，而不必担心联网功能与传感器整合。

无人机的联网

无人机有各种不同的联网技术选项可考虑。低功耗蓝牙(BLE)与Wi-Fi多半用于智能手机联网，Sub-1GHz则是用在远程控制器，能提供更远距离的联网功能。

下图列举了不同种技术在有效距离与能耗方面的差异。接下来我们将进一步讨论BLE、RFsub-1GHz以及Sigfox等低功率技术。

BluetoothSmart低功耗蓝牙技术(BLE)

BluetoothSmart又称为低功耗蓝牙(BluetoothLowEnergy，BLE)，能提供无人机低功耗的联网功能。这种技术适合低阶机种，特别是玩具无人机。它能让无人机和做为控制装置的智能手机、平板、手提电脑或专用远程控制器进行双向通讯。低功耗蓝牙能让无人机具备绝佳的电池续航力，这是使用Wi-Fi、传统蓝牙(ClassicalBluetooth)等传统无线技术所不可能达到的。

低功耗蓝牙使用的是2.4GHz免费授权ISM频段。相关标准由蓝牙技术联盟(BluetoothSIG)负责管理，并支持各大智能手机品牌。

低功耗蓝牙装置有两种主要做法：

a.网络处理器

网络处理器是一种执行低功耗蓝牙通讯协议的低功耗蓝牙装置，其中包含控制器、主控组件与堆栈。但它需要一个独立的微控制器，才能搭配执行低功耗蓝牙配置文件和应用程序的主要微控制器并顺利运作。它也是一套独立的平台，能提供更大的弹性空间，让用户选择最适合的微控制器或操作系统。BlueNRG-MS是意法半导体所推出的网络处理器，可支持BLE4.1规范。这款IC能同时担任主控(master)与从属(slave)，如此一来远程摇控器就能做为智能手机的从属装置，同时也是无人机的主控装置。

b.系统芯片(SoC)

系统芯片是一种独立的芯片组，包含控制器、主控组件、堆栈配置文件和应用程序。意法半导体的BlueNRG-1是一款通过BLE4.2认证的系统单芯片，其中包含15个GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因为支持BLE4.2规范，这种IC还能提供先进的安全与隐私功能。

RFsub-1GHz

正如名称所显示，RFsub-1GHz是利用低于1GHz的频率传送讯号。每个国家所定义的频率不同，免费提供做为工业或科学研究用途。

以下为各国所提供的免费频段：

•NorthAmerica:315,433,915Mhz

•Europe:433,868Mhz

•India:433,865-867Mhz

•北美：315,433,915Mhz

•欧洲：433,868Mhz

•印度：433,865-867Mhz

sub-1GHz频率的好处是这些频段相对较为安静、距离较长且电流消耗量极低。缺点是无法直接提供智能手机联机功能，而且并不是每个地方都能使用。

无人机是近年来最重要的创新技术之一。随着低功耗传感器与联网技术的问世，现在的无人机已可广泛应用于各种消费性及工业应用。无人机为开发人员及创新企业提供了新的商机，解决一些过去被认为是不实际或过于昂贵的复杂问题。