無人機馬達控制開發

至 2050 年，世界人口可能會逼近 100 億。為了能提供足夠的糧食，根據聯合國糧食及農業組織 (FAO) 的 2017 年糧食和農業未來報告，農業產量將需要增加多達 50％。

聯合國糧食及農業組織指出，為了養活全球人口，需要解決幾項挑戰。其中包括促進農村地區的發展、改善糧食系統以及提高農業生產力。在應付這些困難挑戰時，先進的技術可以發揮作用。智慧農業正在成為改善農作物產量和動物管理的一種方式。其中一個例子就是使用物聯網 (IoT) 技術來改善農作物的生產和動物的健康。

收集諸如農作物高度、種植密度、葉子狀況或家畜體溫等數據，使農場主能夠最佳化植物或動物的健康，並預測和最大化產量。一旦分析好數據，農場主就需要依據所收集的資訊，以有效的方式做出決策。最大的問題是，農場可能非常大，占地數千英畝。這樣可能使農作物或動物的檢測非常耗時。欲全面了解農作物或動物整體的健康情況可能並不容易，難以確認特定地區局部種植量不足、乾旱或有害生物侵襲等問題。

無人機已準備好提供援手。各家科技公司已經在尋找各種方法，讓農場主使用無人機來快速測量大面積區域，並以可見光和非可見光波段收集深入資訊 (圖 1)。由無人機 (UAV) 協助的精準農業出現後，也為專家們開啟了開發雲端分析工具的機會，用來解讀無人機飛行期間所收集的數據，以便做出適當的反應。這些做法可以幫助農場主透過最佳化灌溉、施肥或蟲害控制來提高產量，並更有效地利用農業化學品來降低成本。

圖 1：空中影像雲端分析可以幫助監測農作物和土壤的狀況。(圖片來源：PrecisionHawk)。

農業無人機不僅限於資料收集的作用。多旋翼無人機能夠運載 10、20 公斤甚至更高重量的物體，比傳統使用牽引機或輕型飛機噴灑農作物的做法具有更多優點。訓練無人機操作員比訓練飛機飛行員要快得多，成本也更低，而且無人機本身的購買和操作成本也更低。與牽引機相比，使用無人機噴灑農作物更快速，也不會對其造成任何損害。此外，即使地面近期吸滿雨水，無人機也可以正常作業。

適用於精準農業的無人機技術

無人機在精準農業的市場才剛開始發展，法規尚未完善。目前，雖然美國聯邦航空管理局 (FAA) 允許無人機用於個人用途，但商用無人機飛行尚未獲准。

就無人機技術而言，一架合適的飛機需要基本的馬達和飛行控制、感測器、遙測以及用於農作物噴灑的系統，如閥門致動器和液位感測等。還包含了雷達防碰撞技術。

關於資料採集方面，相較於在可見光譜範圍內運作的傳統相機，輕型低功耗的高光譜感測器可以讓農場主更深入了解農作物狀況。高光譜感測器源自於在衛星應用上被首次證實有效的光譜分析技術。這些裝置使用一組感測器來捕捉可見光譜以外的波長，每個檢測器都調整到能在很窄的範圍內運作，如極近紅外光 (VNIR，380 至 1000 nm)、近紅外光 (NIR，900 至 1700 nm) 或短波紅外光 (SWIR，950 至 2500 nm)。相較於單獨使用可見光譜，在這些波長範圍內可以更清晰地觀察農作物病害或其他害蟲的化學特徵。價格實惠的高光譜感測器現已上市，提供低失真、寬廣視野和內建處理能力，可消除雜訊並確保拍攝影像的準確性。

實現飛行功能

適用於精準農業的無人機種類多樣，從小型固定翼飛機到多旋翼四軸無人機平台等。用於噴灑農作物的無人機可能有六個及以上的旋翼，才能提供足夠的升力，具體取決於負載量。

無人機抬升旋翼的直流驅動馬達往往是有刷式或無刷式 (BLDC)。小型飛機會使用有刷馬達以實現更輕的重量和簡單的構造，而需要更高可靠度和更低電磁雜訊的無人機則會傾向選擇 BLDC，特別是較大的無人機。

飛機的核心部件是一個飛行控制器，用於處理導航，控制馬達實現升空，並在飛行期間保持高度和航向。GPS 導航功能結合輕量級微型 MEMS 感測器，如 3 軸加速計、3 軸陀螺儀和大氣壓力感測器，可以實現精確定位、動作控制和高度感測。就確保飛行穩定性而言，模型直升機控制器透過反扭矩尾槳來防止機身沿著自身軸線打轉，而當今多旋翼無人機的飛行控制器具有相同的原理。在無人機控制器中，會使用混合的 MEMS 感測器來進行慣性測量，協調個別馬達速度的調整，使飛機固定在所需的航向上。

作為精準農業的輔助工具，飛行控制器的真正威力展現在使用者介面和提供的功能上，可以協助確定無人機的飛行路徑。農場主需要預先準確確定無人機的飛行路徑，以取得某一區域的完整影像，或者以最少的時間和精力完成噴灑作業，同時盡可能避免過噴情況。

加速馬達控制開發

為了簡化馬達驅動的開發，多家製造商就此提供了各種評估套件。控制演算法通常會免費提供，例如使用霍爾感測器或反 EMF 測量來偵測轉子位置的磁場定向控制 (FOC) 等。這些套件可透過提供範例軟體，幫助工程師們在應用開發方面取得有利開端，讓其能夠快速順利地完成電機開發。

然而，即使有這些套件的幫助，工程師也需要一些使用馬達開展設計的專業知識，來達到速度和扭矩的精確控制。挑戰在於為選定的馬達設定軟體，然後還需要微調參數以最佳化速度和轉矩指令的反應。工程師需要找出馬達的電壓常數 (Ke)、摩擦係數和慣性力矩。如果控制器需依靠反 EMF 測量，則必須設定無感測器狀態觀察以及速度調節。最近像是 TI 和 STMicroelectronics 等供應商已經成功地簡化了馬達特徵化和微調，使得開發人員無需熟悉其特性即可驅動馬達。兩家製造商採取了稍有不同的方法。

ST 在其 MC Workbench 馬達控制開發環境中構建了識別和調諧功能 (圖2)。這款馬達分析儀使用靜態開迴路和閉迴路測試來自動檢測馬達參數，每次測量只要幾秒鐘。其他描述功率級、驅動器和控制級的參數，可透過 MC Workbench GUI 輸入。接著就可以生產並編譯該專案，從而轉動和控制馬達。MC Workbench 一鍵式微調功能提供了一種直觀的調整方式，以便獲得順暢的速度和扭矩控制。

圖 2：ST 的 MC Workbench 輔助設定。馬達分析儀工具能取得未知的馬達參數。

在 MC Workbench 中實作此功能，讓開發人員可以從各種微控制器 (如各式各樣的 STM32 MCU) 中進行選擇，並使用 STM32 生態系統來建立一個低成本的開發平台。ST 最近推出了採取不同做法的 STSPIN32F0。該裝置將完整的 STM32F0 微控制器與三相半橋式閘極驅動器整合在同一封裝中，具有過電流／過電壓／過溫保護，以及一組用於霍爾感測器解碼的運算放大器。STEVAL-SPIN3201 評估板將 STSPIN32F0 IC 與電源管理功能相結合，將與 STSW-STM32100 馬達控制程式庫一起使用。您可以下載範例韌體 STSW-SPIN3201，並與 MC Workbench 一起使用，以快速驅動馬達並開始開發。

TI 的做法是將 InstaSPIN™-MOTION 軟體解決方案嵌入到像是 TMS320F28069M 等 C2000 Piccolo™ 系列裝置的微控制器 ROM 中。InstaSPIN-MOTION 包括 TI 的 FAST™ (通量、角度、速度、扭矩) 軟體式轉子磁通量感測器。它還具有用於馬達分析、單參數調整和干擾抑制的元件，用來識別馬達類型 (圖 3)。

圖 3：TI 的 InstaSPIN-MOTION 使用內嵌在微控制器中的韌體，來描述馬達特性。

開發人員可以透過 TI 的 MotorWare™ 軟體環境來執行 InstaSPIN-MOTION 的功能。DRV8312-69M-KIT 將一個包含 TMS320F28069M 的控制板與一個包含 DRV8312 IC 的電源模組底板相結合，其中 DRV8312 IC 是一個包含驅動無刷直流馬達所需電路的整合式三相逆變器。還提供 55 W 馬達。

結論

精準農業為無人機技術帶來另一個令人興奮的發展機遇。以具成本效益的方式最佳化生產已成為必然需求，這將推動該行業蓬勃發展。用於簡化飛行程式和解讀已擷取數據的軟體，以及利用已具備的馬達控制專業知識，來快速建立穩定可控的機身，將是成功的關鍵。