使用電容式編碼器達到無人機酬載系統最佳化

無人飛行載具 (UAV) 已從娛樂的新奇事物發展成為各產業不可或缺的工具，例如精準農業、基礎設施檢查、航空攝影、環境監測、緊急應變和國防等。隨著任務內容越來越複雜，UAV 子系統在功能和效能上的要求也跟著複雜化，尤其是與酬載運動控制相關的要求。

從高解析度造影設備的穩定到農業材料的精準計量，UAV 的多種酬載功能都仰賴於精確、即時的位置回饋。這些閉迴路系統的核心是旋轉編碼器：這種感測器，能將機械軸的旋轉轉換成數位訊號，再由馬達驅動器和控制單元進行解讀。當回饋不準確或有所延遲，就會造成系統效能下降、任務可靠性降低，甚至導致完全的操作故障。

Same Sky 的 AMT 系列編碼器專為應對這些難題而設計。AMT 系列以獨特方式結合了電容式感測技術、模組化設計、可編程解析度和穩健性，能為 UAV 系統工程師提供現代機載運動控制應用的理想解決方案。本文將探討 AMT 編碼器以及穩定器、噴灑機和監視系統等 UAV 應用的整合技巧。

UAV 酬載控制中的工藝限制

針對 UAV 酬載設計可靠的運動控制時，必須將航空系統固有的一連串機械和電氣限制納入考量。工程師必須針對以下效能驅動因素進行最佳化：

• 環境耐用性：UAV 通常在多塵、潮濕或熱揮發的環境中運作。元件不僅要承受顆粒入侵和濕氣，還要承受轉子諧波和飛行亂流所引起的持續振動。
• 能源效率：UAV 的功率預算會受到電池容量的嚴格限制。編碼器等子系統必須保持高訊號完整性，同時消耗最少的電流以保持飛行持續時間。
• 尺寸和重量限制：每增加一公克酬載都會直接影響推力要求和飛行時間。編碼器必須在緊湊的覆蓋區內提供所需的效能，且不會引起熱或慣性損害。
• 訊號準確性和可靠性：關鍵任務的酬載，例如用於地形測繪、可變速率噴灑或 LiDAR 的酬載，都仰賴精確的位置回饋。即使是輕微的訊號衰減也會在系統層級引發嚴重的控制錯誤。

礙於這些限制，編碼器的挑選成為基本的設計決策。選定的解決方案必須將耐用性、低延遲和可配置性融合在適合機載用途的外形中。

應用重點：雲台穩定系統

雲台是最常見的 UAV 酬載機制之一，可當作相機、熱感測器、LiDAR 和其他造影酬載的精確定向系統。這些機電組件必須主動抵消多軸運動 (包括俯仰、偏航和滾動)，以在飛行過程中保持穩定的造影和感測器精度。

雲台的控制架構仰賴高速的閉迴路回饋。旋轉編碼器可向馬達控制器提供即時的角位置資料，因此可當作此架構的感測主幹。這種回饋可讓系統執行快速修正，以抑制漂移、抖動或振動，無論 UAV 是否正處於運動中或受到亂流的影響。

Same Sky 的 AMT 系列編碼器可順利整合到 UAV 雲台系統中，可提供高解析度的數位輸出、低電流消耗和軟體可編程的解析度。因此設計工程師能依據應用的動態回應需求對回饋靈敏度進行校準，無論是要針對監視任務達到快速、精確的追蹤，或是針對航空攝影達到精細、流暢的運動皆可。只要讓編碼器解析度與雲台的機械和控制系統參數互相配合，工程師就可增強整體穩定性，將過衝降至最低，並在多種工作條件下達到酬載效能最佳化。

圖 1：編碼器可提供即時的位置資料，能讓雲台在飛行過程中主動修正運動並穩定相機定向。(圖片來源：Same Sky)

應用重點：農業噴灑系統

在精準農業中，UAV 越來越常在大型農場中用來噴灑肥料、殺蟲劑、除草劑甚至是種籽。這些系統可瞄準需要處理的區域，因此能減少資源使用和環境衝擊 (通常會依據即時的農場資料，採用可變速率噴灑策略)。這些無人機中的酬載系統包括：

• 電動噴灑閥：編碼器可確保艙口機構的準確致動，以便控制時間和劑量。
• 液體噴灑泵：軸位置的回饋可調節泵速，以維持一致的流量。
• 旋轉噴灑器：編碼器驅動的控制可確保一致的噴灑，無論飛行速度、風況或地形角度為何。

AMT 編碼器可提供可靠的運動回饋以支援這些精密系統，進而對即時的環境因素達到調適性回應。只要正確整合到 AI 增強或 GPS 協調的控制系統中，這些編碼器就有助於達到最大的覆蓋區均勻性、將浪費降至最低，並且增進農藝收成。

為什麼 AMT 編碼器適用於 UAV 酬載

Same Sky 的 AMT 編碼器系列在開發時就將現代機電系統的環境和效能限制納入考量。有幾個關鍵屬性，因此特別適合 UAV 整合：

• 電容式感測：與光學編碼器不同的是，AMT 編碼器採用電容技術，具有優異的防塵、防碎屑和抗振動能力，因此非常適合在戶外環境運作的高空作業平臺。在 Same Sky 部落格中閱讀電容式、磁性和光學式編碼器的比較。
• 低功耗：這些編碼器專為能源敏感型應用而設計，可將電流消耗降至最低，可支援在有限的電池儲能下延長 UAV 運行時間。在 Same Sky 部落格中閱讀活動機器人節能。
• 軟體可編程解析度：工程師能以數位方式配置解析度，以配合各個子系統的特定精度要求，從高速致動到精細的角度穩定都可滿足。
• 緊湊的模組化設計：AMT 編碼器提供多種外形尺寸和軸配置，可簡化機械整合，並可支援在尺寸受限的外殼中達到快速原型製作。
• 可靠性：這些編碼器沒有光盤且活動零件更少，因此相較於傳統的光學解決方案，更能承受機械衝擊並抵抗環境衰退。
• 彈性的輸出選項：增量、絕對和換向訊號可確保與多種馬達控制拓撲相容，包括無刷雲台到混合式伺服系統。

這些特性互相結合下，便可構成多功能的編碼器平台，可因應 UAV 酬載子系統的機械、電氣和環境要求。

最後補充

隨著 UAV 負責的任務更加專業且要求更高，其搭載的系統必須在實際的操作環境中提供一致且高傳真的效能。酬載子系統，無論是用於影像穩定、材料噴灑還是新興應用，都仰賴精確的運動控制，而這都以可靠的回饋為基礎。

Same Sky 的 AMT 系列編碼器能為工程師提供靈活、堅固且高效的解決方案，專為 UAV 設計的航太級限制而打造。這些編碼器具有電容式感測、低功耗運作和可調適的機械配置，能針對新一代的機載系統奠定高效能基礎。