無人機機隊的感測器式防碰撞解決方案

無人機（正式名稱為「無人飛行器系統」）目前迅速成為個人或企業能購買且自由操作的常見技術（但不代表可以隨處或基於任何目的進行飛行）。 更現代化的系統具有吊艙座，能達到可互換的酬載操作，並且能接受多種感測器、照明器及視訊鏈路。

雖然個人操作的無人機鮮少會在空中碰撞，然而隨著隨機非同步操作的機隊作業數量增加，此類事件發生的可能性也跟著增加。 然而，透過巧妙的編程和控制計畫，多台裝置可一起合作來移動酬載、空投阻燃劑、協助進行救援或進行監視。 在這些情況下，必須同時具備精準的遙控和本機自主防碰撞技術。

本文將探討可針對接近無人機的外來物體進行本機感測與偵測的解決方案。 這些感測器系統能將安全的防碰撞保護層嵌入到本機處理器中，在主線通訊失效時讓無人機進入自主模式。 本文所述之所有零件、規格書和開發系統皆可在 DigiKey 網站取得。

接近技術

有幾種技術可用來偵測接近無人機的其他無人機或物體，且不用與中樞進行通訊，甚至無需跟鄰近的無人機進行通訊。 光學感測就是其中一種技術。

紅外線光學發射器能發射出獨特的頻率、工作週期及模式，讓光學偵測器（以光電二極體和光電晶體為基礎）用來擷取訊號。 訊號接著會饋送到嵌入式控制器，供其尋找反射的訊號（自己的頻率）或其他頻率訊號。 線性變頻模式甚至能針對 ID 編號進行編碼，藉此讓無人機知道有哪些鄰機。

發射器和偵測器皆尺寸小巧且輕量，因此若要在無人機機身周圍裝設這些裝置，是做得到的。 這個方法近似於電梯中常用的光幕，可用來偵測何時不該關門。 然而，光幕能偵測的是侵入二維平面的動作，我們在此需要的是三維的資訊。 光是知道有東西在附近還不夠， 我們還需要知道距離多遠。

即便這種感測器技術的成本低廉、功率低（相對低功率；發射器會消耗不少電流）且尺寸小，但還是需要依靠無人機本身的反射性才有作用。 如果使用消光黑的配色搭配隱匿性設計，此技術可能就無法達到令人滿意的結果。 可在機身周圍以平均間隔的方式安裝反射器。 另外需注意，頂端和底部可能要使用不同樣式的反射器。

此技術有另一個問題，發射器會成為反無人機武器的瞄準目標，這個問題在無人機要用於隱匿性軍事應用時更需重視。 如此敵方便能打造可擊落無人機的低成本自行導航導彈。 反射器亦可透過精心製作的反射模式，讓面向前方的發射器繪製目標位置。

儘管如此，對大多數民間應用來說，優良的光學反射器方案，例如 Silicon Labs 低成本且小尺寸的 SI1102-A-GMR，就已經足夠。 以此元件為例，這個表面黏著、非金屬的合併式光學發射器與接收器（圖 1）能夠偵測到 20 英吋以外的反射訊號，但在 2.2 至 5.25 V 下耗用 400 mA 電流。 可使用該公司的 SI1102EK 評估板針對此元件以及 Silicon Labs 的其他 QuickSense 系列成員進行學習和測試，此外 DigiKey 網站上也提供產品培訓單元。

圖 1：小尺寸的表面黏著光學發射器和接收器已緊密整合到單晶片套件中，可提供接近偵測解決方案。

聲音方案

聲音式技術（在此指超音波）可用來測量接近程度與距離，而且目前已經有許多超音波傳感器可用於此用途。 透過工作頻率的選擇與微調，即可讓不同的鄰近裝置在降低彼此干擾的情況下各自作業（若使用嚴格過濾）。 如同光學技術，若是能使用脈寬調變或可靈活運用足夠的頻率範圍，就能將 ID 編碼成線性變頻模式。

離散式傳感器就是既有的解決方案之一，例如 Murata 的 MA40S4R，或是整合式距離測量裝置，如 Honeywell 的 SCN-1530SC。 音波訊號隨著距離增加會更快分散，因此這個技術較適合本機使用，且可能較無法進行遠距離偵測（如軍事用途中保護無人機不受自行導航武器攻擊）。 背景噪音（在戰場中更為明顯）可能會干擾嵌入式微型元件持續擷取可靠訊號的能力。 馬達噪音（聲音或電氣雜訊）也會影響處理器擷取持續可靠訊號的能力。

如同光學式接近技術，聲波測距的另一項優點在於，目前已經有不少開發系統和評估板能讓您快速測試這項技術。 例如，Analog Devices 就提供了專門測量聲波距離的 EVAL-CN0343-EB1Z 感測器開發套件。Maxim 提供了 MAXQ7667EVKIT-1# 超音波距離測量評估套件（圖 2），以其嵌入式處理器為基礎。

圖 2：超音波傳感器可能尺寸較大，但通常重量都很輕，一直以來都能可靠地偵測接近程度和距離。 評估套件能讓您在實際採用特定技術前，用較低的成本與風險進行測試與學習。

GPS 解決方案

對於非常近距離的操作，可以使用磁性和霍爾效應裝置，但在較長距離的感測下通常不可行。 此方案需要使用銅線圈，因此不僅佔空間又昂貴。 使用線圈在較長的距離下傳送訊號也會耗用大量電力。

即便視訊是潛在應用之一，但其所需的影像處理作業，必須即時擷取邊緣資訊並判定本機物件，可能會是一項阻礙。 此外，雖然擷取出的邊緣增強資訊可能有利於看出輪廓，但可能難以輕易且準確地判定距離。 對於靠近的小物體或遠方的大物體，出現的影像可能會相同。

可行的方案之一是在每部無人機上使用 GPS 接收器，並具備自行建構的網狀網路，以便每部無人機之間保持受控制的距離。 GPS 單元能以晶片或模組形式提供，且運作相當穩固，目前也有不少國際認可的方案，可支援 GPS、GLONASS 和 GNSS 標準。 此外，許多高品質 GPS 天線的製造商允許將天線放在無人機上和其周圍的最佳位置，以達到可靠的訊號採集效果。 而且由於 GPS 系統只會接收訊號，所以沒有發射器會對飛彈和無人機獵捕器透露位置。

使用簡易的 UART、SPI 和 IIC 序列控制和資料存取，因此非常適合跟嵌入式微控制器進行無縫整合。 舉例而言，可考慮使用 Telit Wireless Solutions 的一般用途 SL869GNS115T001 模組，即可符合 GPS、GLONASS 和 GNSS 標準（圖 3）。 這個 24 引腳、1.8 公克的表面黏著 LLC 封裝零件，工作電壓介於 3 至 3.6 V，在採集期間消耗高達 67 mA，但待機時只要 73 uA。

圖 3：在專用的 GPS 模式中使用序列協定來實作 GPS，即可達到小型、低成本的解決方案，而且不需要太多的設計時間。 僅需告知無人機前進位置，就會自主前往該地。

雷達

使用縮小規模的超小型雷達是非常可行的解決方案。 RF 技術相當適合此應用，特別是超高頻率下，天線和元件能縮小到超小尺寸。

另一個優勢在於，汽車業已經在這項技術上有所進展，推出了防碰撞雷達和升降門接近偵測等功能；而且因為汽車不只一個面，整合式多通道雷達方案以及前端元件皆已就位可供運用。

舉例而言，Texas Instruments 的 AFE5401TRGCTQ1 單晶片四通道類比雷達前端元件，就具有整合式低雜訊放大器、等化器、可編程增益擴大器、抗交疊以及 12 位元解析度的類比數位轉換器（圖 4）。 注意這個 1.8 V 零件如何在所有通道達到同步取樣並達到 25 MSPS 的取樣速率，以及如何利用 12 位元 CMOS 相容平行匯流排將採集資料快速傳輸到主機控制器。

圖 4：此四通道接收器屬於多通道單晶片雷達裝置，專為汽車產業所開發，但也相當適合用來測試和開發無人機的接近和防碰撞系統。

由於防撞和其他應用越來越常運用小巧型雷達，目前已經有不少優良的雷達開發套件（例如 Analog Devices 的 AD8285CP-EBZ）可用來測試和評估這項技術。

雷達是值得關注的技術，而且正逐漸縮小化，以便當作手勢識別介面裝置。 Google 和 Infineon 就共同合作 Project Soli 專案，利用雷達技術開發這種新的互動感測器。 偵測手指在空間中的位置和移動（使用都卜勒效應來偵測速度），此專案預期提供更豐富的裝置互動效果。 Soli 感測器能快速準確地追蹤人類手指不到毫米的微距移動。 這款感測器可裝在晶片上並可大規模生產，甚至能裝入小型穿戴型裝置。 Project Soli 專案團隊計劃釋出開發套件，讓開發人員建立新的互動和應用。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。