加入感測器前，瞭解無人機設計的取捨準則

作者：Steve Taranovich

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2019-11-19

無人機越來越常運用在各種應用中，包括在緊急狀況或災難現場，成為急救人員倚重的工具之一。例如，在法國巴黎聖母院的大火，無人機先是用來提供火焰燃燒的面積、熱度、程度的報告，並透過配備的熱成像功能，搜尋火場中受困的人員，之後又用來評估損毀情況。顯然，這種應用面臨許多挑戰，需要有足夠的解析度，透視煙霧及火焰等複雜的狀況。

為了應對這些挑戰，可將更多感測器加至無人機。這種做法固然誘人，但設計人員需要謹記，無人機是由電池供電的，而且在許多情況下，對成本十分敏感。因此，設計人員需要在功能、成本、大小、重量與功耗 (SWaP) 之間，保持微妙的平衡。若考慮在無人機設計中增加感測器及成像系統，則達到這種平衡將是設計的主要目標。

本文將探討設計人員在為無人機新增感測器時，需要在架構上作出的一些取捨。在考量取捨時，需要特別注意電源供應器，此元件可能含有磁性元件，而這會增加重量並佔用寶貴的空間。此外，本文還將介紹一些合適的電源供應器及感測器解決方案，包括 Texas Instruments、Efficient Power Conversion、Analog Devices、Bosch Sensortec、STMicroelectronics 及 SparkFun Electronics 等廠商提供的產品。

無人機架構設計考量因素

電源供應器：當設計人員知道需要專注哪些層面才能獲得最佳的無人機效能後，便可尋找方法來最小化無人機的實體尺寸及重量，而第一步即是建立最高效的電源供應器。這不僅能最小化電源供應器的整體尺寸與重量，還能設計出更小更輕的無人機。

由於無人機使用電池供電，因此電源供應器效率較高的無人機，將可使用更小、更輕的電池供電。無人機通常會選用可充電式鋰離子電池 (鋰離子或鋰聚合物類型)，尤其是在設計人員打算讓無人機降落或懸停在無線充電器上充電，或降落在外部充電器上充電時。此外，設計人員也可以使用標準的非充電式電池供電並在放電後予以更換。

選擇 DC/DC 轉換器時，由於轉子馬達產生的反電動勢 (BEMF) 帶來高電壓脈衝，設計人員需要使用具有寬輸入範圍的元件。當馬達減速時，此 BEMF 將會出現在 DC/DC 轉換器的輸入側，原因是 BEMF 會在單獨供電給轉子馬達的 DC/DC 轉換之後產生。

Texas Instruments 的 LM5161 DC/DC 電源轉換器 IC，非常適合用作無人機的電源供應器，因為當此元件編程為支援非連續導通模式 (DCM) 操作後，將可提供嚴格調節的降壓輸出，而無需其他任何的外部回授漣波拒斥電路。此外，此元件內建有高側與低側 MOSFET，可節省電路板空間。而為了提升可靠性，LM5161 設有峰值與谷值電流限制電路，可在過載時提供防護。欠壓鎖定 (UVLO) 電路則是額外提供的預防性功能，可提供獨立調整的輸入欠壓閾值及磁滯。

無人機上可能會有很多感測器及相關的感測器融合 IC、主處理器以及螺旋槳馬達，而這一切都需要良好的電池控制系統。

設計人員通常會使用功率電晶體作為電源供應器架構，因而可選擇氮化鎵 (GaN) 功率電晶體。GaN 將有助於達成最佳的效能效率及最小的尺寸／覆蓋區。

無線電源 - 懸停時充電 [理論討論]：^1、2、3 此為理想的充電方式，其原因在於當無人機降落、關閉電源、充電，然後再度起飛時，轉子馬達的啟動與升空都會消耗電池可觀的電力。Efficient Power Conversion 是眾多研究懸停時無線充電技術的公司之一。一個電源供應器選項是採用以 GaN FET 為基礎的無線充電架構，例如 Efficient Power Conversion 的 EPC2019。

以 GaN 為基礎的 FET 可在 13.56 MHz 的頻率下切換，這是普通矽 FET 很難達到的切換頻率。如此高的切換頻率還可最大程度降低電源供應器磁性元件的尺寸和重量。此外，GaN 電晶體比矽元件小五至十倍，但卻可以處理相同的功率水平。有了這種電源供應器，無人機根本無需降落，而是可以懸停在無線充電座的上方充電。

設計人員會發現，市面上有許多評估板／開發板可加速無線電源的上市時間。對於 EPC2019 GaN FET 而言，Efficient Power Conversion 公司透過 EPC9513 無線電源接收器開發板支援其用於無人機內部。此開發板以 AirFuel 標準為基礎，可確保經認證的無線設計可與全球其他無線充電產品互通互用，因而對設計人員而言十分重要。設計人員可以向供應商索取該展示板的光繪檔，以重新建立該板的最佳佈局。

太陽能：另一種電源選項是使用太陽能為無人機電池充電。對此，PowerFilm Inc. 公司的 PT15-75 太陽能電池是個不錯的選擇。

PT15-75 可以搭配 Analog Devices 的 LT3652 電池充電器 IC 使用，實作小巧的智慧型電池充電器設計 (圖 1)。請記住，當面板連接至負載並提供電流時，實際上是不會發生開路電壓 (Voc) 是輸出的狀況。

Analog Devices 的 LT3652 電池充電器 IC 示意圖圖 1：設計人員可透過增加此 2 A 太陽能電池充電器建立可靠且高效的無人機電源，其中加入了熱敏電阻 R_NTC，可在最大功率水平下補償太陽能電池 (如 PT15-75) 的溫度係數。(圖片來源：Analog Devices)

此外，LT3652 的輸入調節迴路還能夠找到太陽能面板的最大功率操作點，從而最佳化太陽能的轉換效率，向電池供應最大的輸出功率。

感測器：感測器將會增加無人機的可控性以及實用性。對於無人機的控制，感測器可啟用自動水平模式、恆定高度模式，或圍繞特定物體或感興趣點旋轉的軌道模式。所有這些新增的功能全都仰賴高效能的慣性量測單元 (IMU) 及大氣壓力感測器，才能達到最佳化的使用者體驗，並改善特定用途或商業用途無人機的可靠性。

設計人員可能需要提升無人機的效能，而這可能需要陀螺儀具有極低的輸出訊號漂移來確保無人機的方向、位置及平衡，尤其是在溫度條件變化的情況下。使用 Bosch Sensortec 的 BMI160 加速計及陀螺儀套裝即可達成此目標，此元件類似一個小型的低功率 IMU，具有九軸感測器資料融合功能。此元件的尺寸為 2.5 x 3.0 mm，高度為 0.83 mm，即使在陀螺儀及加速計處於完全工作模式時，也僅消耗 925 µA 的電流。此元件的供應電壓為 1.71 V 至 3.6 V。

若想補強 BMI160，含溫度感測器的數位氣壓感測器將有助於測量垂直速度、增強 GPS 導航功能以及確定無人機的海拔高度。為保持準確度，建議偶爾在海平面壓力下校準氣壓計。Bosch Sensortec 的 BMP388 氣壓與溫度感測器是一個不錯的 IC 選擇，可供設計人員整合至自己的架構中。此款感測器模組的覆蓋區面積小，僅為 2 x 2 mm²，高度為 0.88 mm，功耗很低，在 1 Hz 下只有 3.4 µA，非常適合電池運作。此元件的典型相對準確度為 +/-8 Pa，典型絕對準確度為 +/-50 Pa，可改善無人機懸停及規避障礙物的能力。

為了偵測沿多軸進行的運動，STMicroelectronics 的 ISM330DLCTR iNEMO IMU 系統級封裝 (SiP) 模組，在一個單晶片六軸 IC 中整合了加速計、陀螺儀以及磁力計。此配置可讓無人機在懸停時保持水平方向、垂直方向及旋轉的穩定性。專業級無人機攝影及 3D 成像等應用要求陀螺儀的六個軸均保持穩定，而 ISM330DLCTR 能夠提供這種能力。

陀螺儀將測量並維持無人機的方向。當整合三個加速計時，每個加速計沿不同的軸定向，可確定無人機沿任何軸的運動程度。這樣更能夠收集無人機的翻滾、俯仰和偏航資訊，並將此資訊送回無人機的比例積分微分 (PID) 控制器。

磁力計將測量地球北磁場的強度與方向，以糾正其軌跡。請確保經常校準磁力計，電源線、馬達，以及電氣裝置所發出的其他任何強磁場，都可能對其造成影響。

加速計將偵測由強風等外力引起的無人機移動，並將其轉送至 PID 控制器，然後由其調整馬達作出補償。

測距儀：降落、懸停及測量與物體的距離

無人機需要良好的感測器才能安全降落、在無線充電時懸停，以及感測物體，避免運動時發生碰撞。這些測距功能可透過聲音或光線來執行。

超音波測距儀感測：無人機的降落、懸停及地面追蹤功能，可透過超音波感測器實現。當無人機降落時，需要偵測無人機底部與降落區域之間的距離。雖然 GPS 與氣壓計是這項控制功能不可或缺的元件，但是正確的距離感測是安全降落的關鍵要素。

此外，超音波感測器也有助實現安全的懸停及地面追蹤，這些功能可能需要無人機在固定的高度下飛行。MaxBotix 的 MB1010-000 超音波飛時 (ToF) 測距感測器板，即是一款適用降落輔助、懸停及天花板偵測的測距感測器。

瞭解 ToF

所有這些情況都需要使用 ToF 方法，即發射的超音波到達目標的時間，加上反射訊號傳回至無人機感測器的時間 (圖 2 與 3)。

無人機降落、懸停或無線充電期間的 ToF 示意圖 圖 2：設計人員需要瞭解無人機降落、懸停或無線充電期間的 ToF 概念。(圖片來源：Texas Instruments)

超音波 ToF 的三階段示意圖圖 3：超音波 ToF 的三個階段。無人機設計達成正確測距的三個階段：開始發射聲音 (1)、無聲 (2) 以及收到回音 (3)。對此圖的瞭解，再加上本文所討論的評估板及感測器，可幫助設計人員在實作本節所建議的硬體時，達成穩定飛行、避免碰撞，以及最佳無線充電的目標。(圖片來源：Texas Instruments)

若要計算無人機至任何物體的距離，請使用以下方程式：

Texas Instruments 提供的 PGA460PSM-EVM 超音波接近感測評估模組，可減少設計時間。

LiDAR 測距：另一種測距方法是使用具有脈衝雷射的光達 (LiDAR) 技術。從 ToF LiDAR 取得的資訊可用來建立三維影像。LiDAR 技術可實現高準確度和解析度，並具有較大的覆蓋面積。

設計人員可以選擇光學雷射測距感測器，例如 SparkFun Electronics 的 SEN-14032，這是一款以雷射為基礎的光學測距感測器，測距範圍可達 40 m。此感測器需要透過 I²C 與外部微控制器介接。

這種 LiDAR 主要採用兩種架構：固態 LiDAR 以及 360˚ 視野的電動旋轉 LiDAR。兩者使用同樣的原理，都是由雷射發出光束。固態 LiDAR 使用鏡子進行掃描；而掃描旋轉碟片架構則使用由馬達驅動的轉動碟片。

第三種類型的 LiDAR，亦稱為閃光 LiDAR。這種 LiDAR 可同時閃爍出許多短暫的脈衝，使用攝影機晶片來接收反射的脈衝，然後測量 ToF。閃光 LiDAR 具有極高的解析度，但測距範圍僅限於 30 m 以內。

感測環境

熱成像攝影機：無人機上的熱成像攝影機，可偵測物體及材料所發出的熱訊號／溫度，並將其顯示為靜止影像或影片。法國巴黎聖母院火災就曾使用熱成像攝影機進行觀察和追蹤。這些攝影機可以偵測到很少的熱量差異，最小可達 0.01˚C。

無人機熱成像的另一項重大用途，就是在地震或強烈颶風等災難後進行的重建工作，這類災難會導致建築物損壞或倒塌，人員也會因此困在其中 (圖 4 與 5)。

無人機拍攝倒塌建築物影像的圖片圖 4：無人機首先會使用傳統攝影機拍攝倒塌建築物的影像，這是非常重要的一步。然後會使用熱成像攝影機偵測被困人員的身體溫度。(圖片來源：IEEE⁴)

消防演習中使用 DJI 無人機拍攝到的被困人員圖片圖 5：設計人員現已有工具，可在災難中定位並挽救生命。這張被困人員圖片是在消防演習中使用 DJI 無人機拍攝的。(圖片來源：Industrial Equipment News/Menlo Fire UAS/Drone program，由 AP 提供)

若想在無人機中使用熱成像，設計人員不妨從 FLIR Lepton 的 500-0771-01 微熱成像攝影機入手。此攝影機的光譜範圍為 800 nm 至 1400 nm；場景動態範圍為 0˚ 至 120˚C；標稱功耗為 150 mW (工作)、650 mW (快門活動期間) 以及 5 mW (待機)。

濕度、壓力與溫度感測：設計人員可使用 Bosch Sensortec 的 BME280 數位濕度、壓力及溫度感測器 (帶 SPI 介面)，來幫助確定大氣狀況。此元件經過高度整合，尺寸為 2.5 mm x 2.5 mm x 0.93 mm；在睡眠模式僅消耗 0.1 µA，在感測所有三個參數時，最多消耗 3.6 µA。

使用多感測器開發套件加速上市時間

DA14585IOTMSENSOR 是 Dialog Semiconductor 的多感測器開發套件，其中使用 Bosch Sensortec 的環境感測器，以及 TDK Invensense 的動作感測器。此套件對設計人員十分重要，因為這是一款很好的實驗平台，可開發無人機感測感測器融合功能，並加速產品上市時間。

此套件具有 BME680 低功率氣體、濕度、壓力和溫度感測器，以及加速計、陀螺儀和磁力計。DA14585IOTMSENSOR 的感測器融合能力，可讓設計人員瞭解如何使用此功能來提升整體感測效能並延長無人機電池續航力。