適合無人航空系統的感測器

本文將探討開發適合無人飛行載具 (UAV) 的感測器系統時所面臨的挑戰，包括壓力、振動和位置的感測。 飛航環境具有多種不同的挑戰，包括感測器節點架構、電源和重量管理。

新一代的無人飛行載具 (UAV) 目前正在開發中，可提升多種系統的監測能力。 從追蹤澳洲的樹叢火災到監控美國的路況，這些 UAV 在多種用途上將最新的感測器技術發揮地淋漓盡致。 例如，紅外線相機可在夜晚追蹤消失人群，雷射光譜術可用來監控空氣污染。

機載感測器提供更高的移動靈活性以及更快的反應時間，能大幅增進擷取數據的品質。 此外從遠端操控的飛機邁向自主系統，需要慣性導航感測器，並結合加速計、磁力計以及 GPS 系統。 要達到這些目標，必須更加注重在飛行應用感測器系統的整合，但通常受到電力與重量的嚴格限制。

改變感測器架構甚至能完全省去控制感測器，讓 UAV 的尺寸大幅縮減， 因此能打造全新類型的超小型 UAV。

此外，研究人員更採用手持式 UAV 開發並測試感測器系統。 美國西維吉尼亞大學開發出 Phastball-0，用於研究交通阻塞、安全和環境衝擊。 這部從手中發射的 UAV，翼展為 96 英吋，起飛重量為 21 磅，其中包含 7 磅的遙測酬載。 此飛機透過 9 通道 R/C 無線電系統進行遠端操控，並以一對無刷電動導管風扇驅動。 採用電動推進系統簡化飛航操作，並減少機載感測器的振動。

遙測酬載系統含有高解析度數位靜態相機、GPS 接收器、低成本慣性導航系統 (INS)、400 碼朝下雷射範圍搜尋器、飛航數據記錄器、錄影機以及無線視訊傳輸系統。

德國法蘭克福大學的研究人員使用 UAV 將衛星影像之間的資料缺口連結，藉此監測摩洛哥的土壤沖蝕狀況。 由德國 MAVinci 研發的固定機翼 Sirius I UAV 搭載 Panasonic 數位系統相機，在不同的研究地點以多種範圍和飛行高度進行觀測，藉此提供指定地點的超高解析度資料以及較低解析度的概覽圖。 使用 GPA 資料進行影像處理，即可建立數值地形模型 (DTM) 以及超高解析度的影像鑲嵌圖，以 2D 和 3D 方式對沖蝕情況進行量化。 這也有利於分析周圍區域和景觀開發。

UAV 可監測外部情況從事商業用途，但飛機本身其實也需要受到監測。 內部感測器是開發 UAV 系統的關鍵要素，可確保飛機正確且安全地操作，而這些感測器，例如應變計即可用來監測飛機結構並且避免飛行期間發生問題。 這些感測器必須連接到 ADC 數據轉換器，然後透過 SPI 介面鏈結到微控制器。 此數據可儲存以便日後分析、在飛機內部進行分析，或是回傳到地面以監測 UAV 性能。

因為沒有人工輸入，因此 UAV 蒐集及處理數據的能力非常重要，而重量與尺寸的限制遂成為設計人員的重大挑戰。

感測器與無線感測器網路可用的電力也嚴重受到限制。 澳洲昆士蘭科技大學開發的 2.5 公尺長 Green Falcon 無人機採用 28 個單晶體太陽能電池供電。 這些電池能為機載相機與感測器提供 0.5 W，以便追蹤樹叢火災的發展。


圖 1：澳洲的 Green Falcon UAV 的太陽能電池僅能產生 0.5 W 給感測器使用。

較大的 UAV 可透過較寬廣的表面積，用太陽能電池產生更多電力，因此能使用更多感測器系統。 例如，Solara 50 的長度為 15.5 公尺 (54 ft.)，即可承載 32 kg (70 lb) 酬載。 此飛機可由覆蓋在上翼、升降舵以及水平安定面上的 3000 個太陽能電池提供高達 7 kW，並可將過多電力儲存到機翼內的鋰離子電池。 如此一來，即可提供足夠的電力，讓 UAV 以 65 mph 速率和 20 km (65,000 ft.) 巡航高度在空中當作空中監測站長達 5 年。 較大的無人機，例如 Solara 60，長度為 60 公尺 (197 ft)，可承載高達 100 kg (250 lb.)。


圖 2：Solara 50 產生的 7 kW 電力能為其感測器供電長達 5 年。

有些感測器是 UAV 操作的一部份，例如陀螺儀和加速計就可用來監測飛機的位置和方向。 Solara 50 的酬載中亦具有多種機載感測器，其中的高速無線電鏈路即會將遙測數據回傳給地面站台。

美國明尼蘇達大學的研究團隊也同樣使用業餘遙控飛機，例如 Ultra Stick 120，開發低成本、開源、小型 UAV 飛行研究專案。 他們的目標是針對眾多學科支援其研究活動，包括控制、導航與導引演算法、嵌入式故障偵測法以及系統識別工具。

此團隊採用三種尺寸的 Ultra Stick 飛機，包括 120、25e 以及 Mini 系列，並在飛機上安裝多種感測器子系統。 慣性量測單元 (IMU) 使用 Analog Devices 的 iSensor^® ADIS16405，而 GPS 系統則採用 Sirf III 晶片組。


圖 3：Analog Devices 的 ADIS16405 當作 UAV 的慣性量測系統。

該團隊採用 Semtech 的 SX8724C Zooming ADC，提供高達 16 位元解析度，並以此作為介接 Honeywell 壓力感測器的主要 ADC。 此數據採集系統採用 Semtech 的低功率 Zooming ADC 技術，並可透過一般用途微控制器直接連接絕大多數的小型感測器。

具有三個差動輸入，因此可適應多種感測器系統。 其數位輸出可用來對感測元件進行偏壓或重置。 採集鏈係由一個輸入多工器、三個可編程增益放大器以及一個超取樣 A/D 轉換器組成。 可在兩個不同的通道上選擇參考電壓，並具有兩個偏移補償放大器，可達到更寬廣的偏移補償範圍。 可編程的增益和偏移，能讓應用針對參考電壓指定的輸入範圍其中的一小部分進行放大。

可使用八道輸入多工器來選擇類比輸入，同時也可在兩個差動通道之間選擇參考輸入。 然而，因為輸入放大器永遠以差動模式操作，並透過多工器同時選擇正向和負向輸入，因此在單端配置中僅有七個採集通道（包括 VREF）可供使用。

縮放區塊的核心是由三個差動可編程放大器 (PGA) 組成。 選擇輸入 VIN 和參考 VREF 的訊號組合後，輸入電壓即可透過 1 至 3 級進行調變並放大。 良好的增益編程可高達 1000 V/V，符合感測器的解析度。 最後兩個級提供可編程的偏移，而且在必要時能跳過各個放大器。 PGA 串級的輸出接著會直接饋入類比數位轉換器 (ADC)，將訊號轉換成微控制器用的數位串流。 此數據接著能儲存或封包，並且無線傳輸到地面。

Analog Devices 的 ADIS16488 iSensor 是內含三軸陀螺儀、加速計和磁力計的完整慣性感測系統。 此系統結合 iMEMS 微加工技術以及訊號調節功能，能達到最佳化動態效能， 也採用 CMOS 技術縮減感測器的尺寸，並降低成本和耗電量。 出廠時皆已針對各個感測器的靈敏度、偏移、對位以及線性加速度進行特性化，以因應陀螺儀的偏移。 因此，每個感測器都具備各自的動態補償修正公式，以便在 -40°C 至 +85°C 溫度下提供準確的量測結果。 磁力計具備自我修正功能，能在溫度範圍內提供準確的偏移效能。 因應 UAV 感測器中的溫度變化非常重要，可確保接收的數據準確且可用。


圖 4：Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 方塊圖。

ADIS16400 相對於離散設計，能以簡單並符合成本效益的方式整合準確的多軸慣性感測功能。 測試與校準作業均在工廠的製程中完成，因此能大幅縮短系統整合時間；在導航系統中，嚴密的直角對位可簡化慣性架構的對位作業。 改良的序列周邊介面 (SPI) 和暫存器結構能提供更快速的數據蒐集與組態控制，使用與 ADIS1635x 和 ADIS1636x 系列相容的引腳配置和相同的封裝，因此僅需變更韌體即可升級至 ADIS16400，以因應額外的感測器與暫存器對應表更新。

即便 ADIS16400 可獨立產生數據，但也可當作 SPI 從屬裝置使用，與系統（主要）處理器進行通訊。 SPI 會以全雙工模式操作，因此主要處理器能讀取來自 DOUT 的輸出數據，同時使用相同的 SCLK 脈衝透過 DIN 傳送下一個目標位址。

為了保持最低的空間需求，此模組尺寸僅有 23 mm x 23 mm x 23 mm，並具有彈性的連接器介面，能符合多種安裝方向選項。

無人機特別適合用於人工駕駛飛機無法深入的極度危險區域， 因此需要更多種感測器。 美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 採用 Aerosonde UAV 做為颶風追蹤器，利用絕對壓力感測器測量風速與壓降。 這架由澳洲 AAI 公司打造的 UAV，幾乎能即時將數據直接傳送到位於佛羅里達州的美國國家颶風中心。 能比之前的系統提供更加接近海水表面的量測值，並且能提供標準的大氣氣壓與溫度讀數。 英國的 UAV 製造商 UAVSI 亦針對南極地區等嚴峻氣候環境的科學研究領域專門設計出 Vigilant 20 kg 系統。

感測器架構越來越重要，感測器位於 UAV 上或是位於地面，對於設計將產生明顯差異。 這或許聽起來很奇怪，但美國 DARPA 研究機構已經與資深行動應用程式開發人員合作開發 ADAPT 調適性感測器系統。 此彈性感測器框架可用於多種情況，但將透過客製化的 Android 作業系統版本著重在情報、監視與偵察 (ISR) 設計。

在 DARPA 的測試中，簡易的四軸飛行器可透過 ADAPT 感測器自動追蹤其離地距離。 無人職守地面感測器 (UGS) 採用 ADAPT 核心架構，能將飛行指令中繼到 UAV，因此能讓飛行器的尺寸更加縮小。 DARPA 認為 ADAPT 能引領軍事領域更快速且更有效率地部署技術，但感測器就某些層面來說亦可朝消費性電子領域發展，例如 Bizcraze 的 Crazyfile 一樣。 這架 9 cm x 9 cm 四軸飛行器的重量僅有 19 公克，並提供兩種款式，搭載不同的機載感測器。 這架四軸飛行機可飛行長達 7 分鐘，其鋰聚合物電池可透過標準 USB 充電座充電，充電時間為 20 分鐘。


圖 5：Crazyflie 開發中的小型四軸飛行器 UAV。

結論

UAV 目前正在整合各式各樣的感測器以達到各種內部和外部功能，但礙於電源供應器與重量的限制，此系統可附加的項目仍然受限。 紅外線、傳統的數位靜態相機與錄影機，甚至是雷射光譜系統皆可用於 UAV 進行更多種量測項目。 然而，UAV 本身的控制也是需要感測器的協助。 使用的慣性量測與 GPS 追蹤系統越精密，就需要使用更新的矽晶技術才能降低功耗並減少重量。 微機械感測器能提供耐用的加速計，可有效運用在 UAV 系統中，能高度整合數據處理功能，進一步降低功耗並縮減尺寸。

以不同的方式思考感測器架構，UAV 的尺寸將可大幅度縮減，並運用在嶄新且不同的用途。