無人機(jī)上配備了哪些硬件設(shè)施

如今，無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測、國土資源執(zhí)法、環(huán)境保護(hù)、遙感航拍、抗震救災(zāi)、快遞運(yùn)送等領(lǐng)域。 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無人機(jī)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用不斷增加，為了能更好的控制無人機(jī)的飛行，各種傳感器的運(yùn)用則起到了十分重要的作用。

因此，有人將無人機(jī)稱為一架會飛行的“傳感器”。那么，無人機(jī)能在天上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行，完成不同的動(dòng)作，需要用到哪些傳感器呢？

無人機(jī)的特性

無人機(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，一臺最基本的無人機(jī)必須具備以下特性：

穩(wěn)定：無人機(jī)應(yīng)該要穩(wěn)定，不可無預(yù)警突然震動(dòng)、搖晃或傾斜，否則就會失去平衡并墜毀。

精確：無人機(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。能抵抗各種環(huán)境條件：無人機(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)，無人機(jī)內(nèi)部所使用的電子零件也要如此。

低功耗：無人機(jī)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(shù)的崛起，已使得無人機(jī)技術(shù)得以普及化。

環(huán)境感知：環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無人機(jī)最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在的無人機(jī)都具備好幾種傳感器以監(jiān)測環(huán)境。收集到的資料可用在各種應(yīng)用，例如氣象監(jiān)測、農(nóng)業(yè)等用途。

聯(lián)網(wǎng)功能：聯(lián)網(wǎng)功能是無人機(jī)崛起并廣為市場接受的重要因素。無人機(jī)可通過簡單的智能手機(jī)、遙控器或直接通過云端加以控制。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。有的無人機(jī)會采用多種聯(lián)網(wǎng)功能解決方案，以滿足多用途使用案例的需求。

飛行控制器

飛行控制器（FC）相當(dāng)于無人機(jī)的大腦，如果放在電腦以及手機(jī)上來說就相當(dāng)于操作系統(tǒng)。飛行控制器通過無人機(jī)上搭載的各類傳感器獲得數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行演算處理從而控制機(jī)體的飛行。除此之外，飛行控制器也承擔(dān)信息傳遞的職責(zé)。

飛行控制器內(nèi)部主要由兩大部分構(gòu)成——IMU（慣性檢測裝置）和CPS模塊。可以說無人機(jī)的飛行性能的高與低，就取決于這個(gè)飛行控制器。無人機(jī)平穩(wěn)飛行不可缺少的飛行控制器中的內(nèi)部傳感器（IMU）。IMU指的是慣性測量單元，大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人，也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場合。一般來說IMU就包含了加速度傳感器和陀螺儀。

無人機(jī)上的傳感器

IMU位于無人機(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、磁羅盤與氣壓傳感器。

加速度計(jì)

加速度計(jì)是用來提供無人機(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的傾斜角度。當(dāng)無人機(jī)呈現(xiàn)水平靜止?fàn)顟B(tài)，X軸與Y軸為0G輸出，而Z軸則為1G輸出。地球上所有對象所承受的重力均為1G。若要無人機(jī)X軸旋轉(zhuǎn)90度，那么就在X軸與Z軸施以0G輸出，Y軸則施以1G輸出。傾斜時(shí)，XYZ軸均施以0到1G之間的輸出。相關(guān)數(shù)值便可應(yīng)用于三角公式，讓無人機(jī)達(dá)到特定傾斜角度。

加速度計(jì)同時(shí)也用來提供水平及垂直方向的線性加速。相關(guān)數(shù)據(jù)可做為計(jì)算速率、方向，甚至是無人機(jī)高度的變化率。 加速度計(jì)還可以用來監(jiān)測無人機(jī)所承受的震動(dòng)。

對于任何一款無人機(jī)來說，加速度計(jì)都是一個(gè)非常重要的傳感器，因?yàn)榧词篃o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)測三軸的角速度，因此可監(jiān)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(dāng)重要的傳感器。角度信息的變化能用來維持無人機(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。 陀螺儀還能確保無人機(jī)根據(jù)用戶控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)。

磁羅盤

正如名稱所示，磁羅盤能為無人機(jī)提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會匯入微控制器的運(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偵測地理方位。

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。

磁羅盤對于硬鐵、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，以過濾掉這些異常狀況。 這時(shí)候最重要的是讓用戶不必費(fèi)力，運(yùn)算法就能快速進(jìn)行校正。

除了方向的感測，磁性傳感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(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，對無人機(jī)飛行控制來說相當(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可滿足預(yù)測高度時(shí)的需求。

超聲波傳感器

無人機(jī)采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會反彈這一特性，進(jìn)行高度控制。前面就提到過近地面的時(shí)候，利用氣壓傳感器是無法應(yīng)對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)無論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS

如同汽車有導(dǎo)航系統(tǒng)一般，無人機(jī)也有導(dǎo)航系統(tǒng)。通過GPS，才可能知道無人機(jī)機(jī)體的位置信息。GPS是全球?qū)Ш较到y(tǒng)之一，是美國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。不過最近的無人機(jī)開始不單單采用GPS了，有些機(jī)型會同時(shí)利用GPS與其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，同時(shí)接收多種信號，檢測無人機(jī)位置。無論是設(shè)定經(jīng)度緯度進(jìn)行自動(dòng)飛行，還是保持定位進(jìn)行懸停，GPS都是極其重要的一大功能。

不過由于衛(wèi)星自己會經(jīng)常移動(dòng)，同時(shí)受建筑物與磁場的影響，也存在接收不到GPS信號的情況。這一點(diǎn)是值得注意的。

當(dāng)然除了上述的幾種傳感器，無人機(jī)中還可能會用到檢測電壓電流狀態(tài)的傳感器、檢測障礙物的紅外線傳感器。正是由這些宛如人感官一般的傳感器在無人機(jī)中發(fā)揮作用，無人機(jī)才能夠在空中平穩(wěn)飛行。

特定應(yīng)用傳感器

這類傳感器并不影響無人機(jī)的核心功能運(yùn)作，但越來越常被用在無人機(jī)上，以提供各種不同應(yīng)用，例如氣候監(jiān)測、農(nóng)耕用途等。

濕度傳感器：濕度傳感器能監(jiān)測濕度參數(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、空氣密度監(jiān)測與氣體傳感器測量結(jié)果的修正。

MEMS麥克風(fēng)：MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號轉(zhuǎn)換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風(fēng)，因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩挠嵲氡龋⊿NR）、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(wěn)健。這類傳感器可用在無人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動(dòng)等應(yīng)用。

傳感器數(shù)據(jù)的運(yùn)算和傳輸

要將原始的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有意義的使用案例，軟件數(shù)據(jù)庫扮演了相當(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出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。 我們可利用傳感器融合數(shù)據(jù)庫來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。

用戶也可以透過一份簡單的計(jì)算機(jī)授權(quán)協(xié)議，存取各種先進(jìn)數(shù)據(jù)庫。一旦經(jīng)過平臺測試，設(shè)計(jì)人員就能開發(fā)自己專用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開發(fā)的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時(shí)，才必須簽署數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)授權(quán)。

無人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)

無人機(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。

本文來源：馬斯克無人機(jī)聯(lián)盟