傳感器在無人機創(chuàng)新中的關(guān)鍵作用

作者：CHRIS WINKLER，?美新公司高級營銷經(jīng)理

在當今快速增長的無人機細分市場中，傳感器技術(shù)通常是內(nèi)部不為人知的秘密武器。在本文中，我們將討論無人機的現(xiàn)狀以及賦予它們能力的傳感器技術(shù)。

工業(yè)無人機是一個大幅增長的行業(yè)。市場研究公司 Tractica 估計，到 2025 年，全球商用無人機的年出貨量將從目前的 80,000 臺增加到約 270 萬臺。這些無人機提供的服務(wù)可以產(chǎn)生 82 億美元的年收入。

無人機依賴的傳感器鑒于無人機目前的增長趨勢，使它們工作的底層傳感器技術(shù)是什么？無人機運行的關(guān)鍵傳感器是加速度計、慣性測量單元（IMU）、傾斜傳感器、電流傳感器和發(fā)動機進氣流量傳感器（圖 1）。雖然不是必需的，但今天的許多無人機也使用圖像傳感器來提供無人機飛行路徑的視頻。現(xiàn)在，讓我們檢查一下關(guān)鍵傳感器及其功能。

圖 1 – 說明：美新傳感器技術(shù)在現(xiàn)代無人機技術(shù)和解決方案中以多種方式使用。

加速度計——加速度計用于確定無人機在飛行中的位置和方向。就像您的 Nintendo Wii 控制器或您的 iPhone 屏幕位置一樣，這些基于硅的小型傳感器在維持飛行控制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。MEMS 加速度計以多種方式感知運動。一種技術(shù)可以感知嵌入小型集成電路的極小結(jié)構(gòu)的微動。這些小型“跳水板”的運動改變了通過結(jié)構(gòu)的電流量，表明位置相對于重力的變化。加速度計中使用的另一種技術(shù)是熱傳感，它具有幾個明顯的優(yōu)勢。它沒有移動部件，而是感應(yīng)通過小型集成電路的氣體分子運動的變化。由于這些傳感器的靈敏度，它們在穩(wěn)定車載攝像機方面發(fā)揮著作用，這對于電影制作等應(yīng)用至關(guān)重要。通過控制上下移動以及消除抖動和振動，電影制作人能夠捕捉到極其流暢的視頻。此外，由于這些傳感器比其他技術(shù)更能抵抗振動，因此熱 MEMS 傳感器非常適合無人機應(yīng)用，以最大限度地減少由旋轉(zhuǎn)推進風(fēng)扇/螺旋槳運動產(chǎn)生的振動增加所帶來的問題。

IMU— 結(jié)合 GPS，慣性測量單元 (IMU) 對于保持方向和飛行路徑至關(guān)重要。隨著無人機變得更加自主，這些對于保持遵守飛行規(guī)則和空中交通管制至關(guān)重要。IMU 單元使用多軸磁力計，本質(zhì)上是小型、精確的指南針。這些感知方向的變化并將數(shù)據(jù)輸入中央處理器，最終指示方向、方向和速度。

傾斜傳感器——傾斜傳感器與陀螺儀和加速度計相結(jié)合，為飛行控制系統(tǒng)提供輸入，以保持水平飛行。這對于從監(jiān)控到交付易碎貨物的穩(wěn)定性至關(guān)重要的應(yīng)用來說非常重要。這些類型的傳感器將加速度計與陀螺儀結(jié)合在一起，可以檢測運動的微小變化。正是陀螺儀補償使這些傾斜傳感器能夠用于機動車輛或無人機等移動應(yīng)用。

電流傳感器——在無人機中，功耗和使用很重要，尤其是那些電池供電的。電流傳感器可用于監(jiān)控和優(yōu)化功耗、內(nèi)部電池的安全充電，以及檢測電機或系統(tǒng)其他區(qū)域的故障情況。電流傳感器通過測量電流（雙向）工作，理想情況下提供電氣隔離以減少功率損耗并消除觸電或?qū)τ脩艋蛳到y(tǒng)造成損壞的機會。具有快速響應(yīng)時間和高精度的傳感器優(yōu)化了無人機的電池壽命和性能。

磁傳感器——在無人機中，電子羅盤為慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)提供關(guān)鍵的方向信息。各向異性磁阻 (AMR) 坡莫合金技術(shù)傳感器具有卓越的精度和響應(yīng)時間特性，同時比替代技術(shù)消耗的功率顯著減少，非常適合無人機應(yīng)用。交鑰匙解決方案以非常堅固和緊湊的封裝為無人機制造商提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳感。

發(fā)動機進氣流量傳感器——流量傳感器可用于有效監(jiān)測流入小型燃氣發(fā)動機的空氣流量，這些發(fā)動機用于為某些無人機提供動力。這些有助于發(fā)動機 CPU 在指定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下確定適當?shù)娜加涂諝獗?，從而提高功率和效率，并減少排放。許多燃氣發(fā)動機質(zhì)量流量傳感器采用量熱原理，利用加熱元件和至少一個溫度傳感器來量化質(zhì)量流量。MEMS 熱質(zhì)量空氣流量傳感器也利用量熱原理，但在微尺度上，使其非常適用于重量減輕至關(guān)重要的應(yīng)用。

讓無人機發(fā)揮作用過去，無人機技術(shù)的創(chuàng)新主要集中在軍事應(yīng)用上。然而，最近這一趨勢開始轉(zhuǎn)向商業(yè)市場。預(yù)計增長的重要垂直行業(yè)包括貨物運輸和交付、監(jiān)測和調(diào)查、保護和動物權(quán)利、執(zhí)法、商業(yè)電影制作、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健。

貨物運輸和交付— 無人機可用于在偏遠地區(qū)或通過傳統(tǒng)方式不易到達的地區(qū)運送藥品和小型實用物品。他們還可以在向受災(zāi)地區(qū)運送物資方面發(fā)揮作用，例如那些經(jīng)歷過地震、洪水和疾病爆發(fā)的地區(qū)。對于商業(yè)交付，亞馬遜和谷歌也在 2013 年宣布，他們計劃使用無人機作為其交付服務(wù)的一部分，以便在幾個小時內(nèi)將訂單交付給客戶。一個關(guān)鍵的障礙是 FAA 的飛行規(guī)則。盡管無人機目前僅限于運營商的現(xiàn)場線，但 FAA 規(guī)則的進一步修改可能允許開始超視距交付。FAA 目前有一個由 27 家公司和行業(yè)協(xié)會組成的委員會，目前正在根據(jù)無人機尺寸和人的飛行路徑調(diào)查和推薦商用無人機的飛行規(guī)則。我們預(yù)計將繼續(xù)專注于定義測試和飛行規(guī)則，最終目標是讓自主無人機成為日常商業(yè)的一部分。

監(jiān)測和測量——測量和監(jiān)測也是一個顯著增長的部門。一些例子包括地磁測量，可用于預(yù)測礦藏位置、天然氣和石油管道監(jiān)測、災(zāi)區(qū)檢查以及野火探測和預(yù)防。其他用途包括調(diào)查和數(shù)據(jù)收集，例如考古學(xué)?？脊艑W(xué)家可以使用無人機技術(shù)創(chuàng)建遺址的三維模型，這可以為研究人員節(jié)省數(shù)月的時間。

保護和動物權(quán)利——保護組織和動物權(quán)利組織正在使用無人機來遏制虐待行為，取得了良好的效果。例如，世界自然基金會 (WWF) 于 2012 年開始使用無人機幫助尼泊爾的保護工作。它們被用來監(jiān)測犀牛、老虎、大象和鹿的數(shù)量。世界自然基金會還與納米比亞政府合作，使用無人機幫助減少犀牛偷獵。Sea Shepherd 等反捕鯨活動人士使用無人機監(jiān)視日本捕鯨船。

執(zhí)法——在過去的幾年里，許多國家的警察都使用無人機監(jiān)視嫌疑人和公共場所。無人機可能配備非致命工具，例如泰瑟槍，以識別罪犯并協(xié)助逮捕。這方面的一個例子正在北達科他州進行測試，配備泰瑟槍的無人機被稱為“捕食者”。其他無人機配備傳感器以識別化學(xué)、生物、放射性和/或核材料。

商業(yè)電影制作——媒體和電影制作人利用無人機拍攝圖像和視頻，否則這些圖像和視頻將由直升機或昂貴的起重機設(shè)備拍攝。無人機顯著降低了成本，并且還可以通過更加靈活和機動性來改進流程，為導(dǎo)演提供更大的靈活性來獲得正確的鏡頭。無人機還用于捕捉體育賽事，以動態(tài)、近距離地觀察運動員或正在進行的比賽。這些無人機捕捉到快速移動的運動員之前或之后的動態(tài)圖像的興奮。加速度計傳感器與無人機的制導(dǎo)系統(tǒng)配合使用，使之成為可能。用于電影制作的商用無人機的一個例子是 DJI 的 Phantom 3，它被廣泛用于電影制作，價格僅為 999 美元，是市場上成本較低的無人機之一。最近，GoPro 宣布將投資一架無人機，該無人機使用其攝像頭進行視頻錄制。

農(nóng)業(yè)——在過去幾年中，無人機在農(nóng)業(yè)中的使用大幅增加。農(nóng)民使用無人機監(jiān)測和改善作物健康和灌溉、牲畜位置和凝視模式。鑒于應(yīng)對嚴重干旱等問題，無人機作為農(nóng)業(yè)的有用工具將變得越來越重要。根據(jù)美銀美林的全球研究報告，2015 年至 2025 年間，農(nóng)業(yè)無人機市場有潛力在美國創(chuàng)造超過 100,000 個工作崗位和 820 億美元的經(jīng)濟活動。

醫(yī)療保健——無人機在醫(yī)療保健中的使用也受到關(guān)注。小型無人機可以在醫(yī)療設(shè)施內(nèi)使用，以高效、自主地將藥物運送到患者床邊。它們還可用于運送關(guān)鍵物品，例如用于分析的血液和醫(yī)療用品。救護無人機也在進行測試。這些無人機可用于提供自動體外除顫器，提高心臟驟停病例的存活率。原型由荷蘭代爾夫特大學(xué)構(gòu)思和開發(fā)。

用于復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)套件美新公司總部位于馬薩諸塞州安多弗，提供基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)和 IC 級和模塊級復(fù)雜集成技術(shù)的先進半導(dǎo)體傳感器和多傳感器系統(tǒng)解決方案。美新獨特的專有方法將磁傳感器、加速度計、流量傳感器和電流傳感器等前沿傳感器技術(shù)與混合信號處理電路相結(jié)合，為手機、汽車、消費電子、工業(yè)、醫(yī)療和通用航空市場。

美新的MEMS技術(shù)是獨一無二的，它將堅固的硅晶片制造與集成電路技術(shù)結(jié)合在一個芯片上。這增加了傳感器和系統(tǒng)的穩(wěn)健性，同時提供了對高 g 力和振動的最大耐受性。

致謝我們要感謝東北大學(xué)研究生 Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin 和 Ke Xuan 以及 Tucker Marion 副教授參與收集本文的市場研究。

審核編輯 黃昊宇