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無人機(jī)的傳感器與連接功能介紹
專欄：技術(shù)支持
發(fā)布日期：2018-07-03
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無人機(jī)(drone)的正式名稱為無人飛行器(unmanned aerial vehicle) ，它是一種不需要人駕駛的飛行器 ，主要通過遙控或內(nèi)設(shè)的智能控件進(jìn)行操控 。該如何通過整合嵌入式系統(tǒng) ，提供器具導(dǎo)航、自我平衡等功能并飛行到特定高度 ，同時(shí)還能和位于遠(yuǎn)端的使用者或機(jī)器交換信息，無人機(jī)就是一個最好的實(shí)例 。傳統(tǒng)上來說 ，無人機(jī)常見于防御及科學(xué)方面的應(yīng)用 ，像是深入偏遠(yuǎn)地區(qū) 、監(jiān)控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地...
無人機(jī)(drone)的正式名稱為無人飛行器(unmanned aerial vehicle) 傳統(tǒng)上來說 無人機(jī)吸引了各類人的濃厚興趣，包括創(chuàng)新企業(yè) 感測器以低功耗網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)出現(xiàn)重大進(jìn)展，是近來無人機(jī)得以飛快成長的關(guān)鍵所在，而本文也將對此加以詳細(xì)說明 無人機(jī)的特性 無人機(jī)的動作必須非常精確，除了穩(wěn)定 a) 穩(wěn)定 無人機(jī)應(yīng)該要穩(wěn)定，不可無預(yù)警突然震動 b) 精確 無人機(jī)的動作要非常精確 c) 能抵抗各種環(huán)境條件 無人機(jī)要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環(huán)境狀況。而且不止外部材質(zhì)，無人機(jī)內(nèi)部所使用的電子零件也要如此。 d) 低功耗 無人機(jī)將會變得越來越輕，因此如何確保超低功耗以盡量縮小電池尺寸就顯得尤為重要。低功耗技術(shù)的崛起，已使得無人機(jī)技術(shù)得以普及化 e) 環(huán)境感知 環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無人機(jī)最關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?div id="m50uktp" class="box-center"> ，F(xiàn)在的無人機(jī)都具備好幾種傳感器以監(jiān)測環(huán)境 f) 聯(lián)網(wǎng)功能 聯(lián)網(wǎng)功能是無人機(jī)崛起并廣為市場接受的重要因素 傳感器 在無人機(jī)里所扮演的角色，位于無人機(jī)的核心位置，可確保裝置功能與導(dǎo)航正常運(yùn)作。這些傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤與氣壓傳感器。 加速度計(jì) 加速度計(jì)是用來提供無人機(jī)在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的傾斜角度。當(dāng)無人機(jī)呈現(xiàn)水平靜止?fàn)顟B(tài)，X軸與Y軸為0克輸出，而Z軸則為1克輸出。地球上所有對象所承受的重力均為1克。若要無人機(jī)X軸旋轉(zhuǎn)90度，那么就在X軸與Z軸施以0克輸出，Y軸則施以1克輸出。傾斜時(shí)，XYZ軸均施以0到1克之間的輸出。相關(guān)數(shù)值便可應(yīng)用于三角公式，讓無人機(jī)達(dá)到特定傾斜角度。 加速度計(jì)同時(shí)也用來提供水平及垂直方向的線性加速。相關(guān)數(shù)據(jù)可做為計(jì)算速率、方向，甚至是無人機(jī)高度的變化率。加速度計(jì)還可以用來監(jiān)測無人機(jī)所承受的震動。 對于任何一款無人機(jī)來說，加速度計(jì)都是一個非常重要的傳感器，因?yàn)榧词篃o人機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，都要靠它提供關(guān)鍵輸入。 陀螺儀 陀螺儀傳感器能監(jiān)測三軸的角速度，因此可監(jiān)測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時(shí)角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當(dāng)重要的傳感器。角度信息的變化能用來維持無人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動器，通過動態(tài)控制馬達(dá)速度，并提供馬達(dá)穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無人機(jī)根據(jù)用戶控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)。 磁羅盤 正如名稱所示，磁羅盤能為無人機(jī)提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會匯入微控制器的運(yùn)算法，以提供磁北極相關(guān)的航向角，然后就能用這些信息來偵測地理方位 為了算出正確方向 磁羅盤對于硬鐵 除了方向的感測，磁性傳感器也可以用來偵測四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線 氣壓計(jì) 氣壓計(jì)運(yùn)作的原理 無人機(jī)傳感器的重要特點(diǎn) 無人機(jī)很容易受到極端狀況的影響 運(yùn)算法所扮演的角色 要將原始的傳感器件數(shù)據(jù)庫扮演了相當(dāng)重要的角色 加速度計(jì) 特定應(yīng)用傳感器 這類傳感器并不影響無人機(jī)的核心功能運(yùn)作，但越來越常被用在無人機(jī)上 濕度傳感器 濕度傳感器能監(jiān)測濕度參數(shù) MEMS麥克風(fēng) MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號轉(zhuǎn)換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風(fēng)，因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩挠嵲氡?SNR) 無人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能 無人機(jī)有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項(xiàng)可考慮。低功耗藍(lán)牙(BLE)與Wi-Fi多半用于智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng) 下圖列舉了不同種技術(shù)在有效距離與能耗方面的差異。接下來我們將進(jìn)一步討論BLE Bluetooth Smart低功耗藍(lán)牙技術(shù)(BLE) Bluetooth Smart又稱為低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy，BLE)，能提供無人機(jī)低功耗的聯(lián)網(wǎng)功能。這種技術(shù)適合低階機(jī)種，特別是玩具無人機(jī)。它能讓無人機(jī)和做為控制裝置的智能手機(jī)、平板、手提電腦或?qū)Ｓ眠h(yuǎn)程控制器進(jìn)行雙向通訊。低功耗藍(lán)牙能讓無人機(jī)具備絕佳的電池續(xù)航力，這是使用Wi-Fi、傳統(tǒng)藍(lán)牙(Classical Bluetooth)等傳統(tǒng)無線技術(shù)所不可能達(dá)到的。 低功耗藍(lán)牙使用的是2.4GHz免費(fèi)授權(quán)ISM頻段。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)負(fù)責(zé)管理，并支持各大智能手機(jī)品牌。 低功耗藍(lán)牙裝置有兩種主要做法： a.網(wǎng)絡(luò)處理器 網(wǎng)絡(luò)處理器是一種執(zhí)行低功耗藍(lán)牙通訊協(xié)議的低功耗藍(lán)牙裝置 b.系統(tǒng)芯片(SoC) 系統(tǒng)芯片是一種獨(dú)立的芯片組，包含控制器、主控組件、堆棧配置文件和應(yīng)用程序意法半導(dǎo)體的BlueNRG-1是一款通過BLE4.2認(rèn)證的系統(tǒng)單芯片，其中包含15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、PDM以及160kb的RAM。因?yàn)橹С諦LE4.2規(guī)范，這種IC還能提供先進(jìn)的安全與隱私功能。 RFsub-1GHz 正如名稱所顯示，RFsub-1GHz是利用低于1GHz的頻率傳送訊號。每個國家所定義的頻率不同，免費(fèi)提供做為工業(yè)或科學(xué)研究用途。 以下為各國所提供的免費(fèi)頻段： NorthAmerica :315,433,915Mhz Europe:433,868Mhz India:433,865-867Mhz 北美：315,433,915Mhz 歐洲：433,868Mhz 印度：433,865-867Mhz sub-1GHz頻率的好處是這些頻段相對較為安靜、距離較長且電流消耗量極低。缺點(diǎn)是無法直接提供智能手機(jī)聯(lián)機(jī)功能，而且并不是每個地方都能使用。 Sigfox是采用sub-1GHz頻率的一種訂閱制低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)服務(wù)。Sigfox能直接鏈接電信基礎(chǔ)架構(gòu) 它的連網(wǎng)功能有效范圍可達(dá)數(shù)公里之遠(yuǎn) 用在無人機(jī)時(shí)，Sigfox可追蹤并將傳感器數(shù)據(jù)傳送到云端。它是一種直接鏈接電信基礎(chǔ)架構(gòu)的低數(shù)據(jù)率技術(shù)，因此一般預(yù)料將無法取代可以直接進(jìn)行控制的聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)，例如低功耗藍(lán)牙，還有RF sub-1GHz直接點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)機(jī)。 開發(fā)平臺 無人機(jī)等新興應(yīng)用程序的崛起，主要是由創(chuàng)新企業(yè)與年輕一代的工程師所帶動。此外因?yàn)槭袌鲅莼俣燃涌?div id="d48novz" class="flower left"> 用戶也可以透過一份簡單的計(jì)算機(jī)授權(quán)協(xié)議，存取各種先進(jìn)數(shù)據(jù)庫。一旦經(jīng)過平臺測試，設(shè)計(jì)人員就能開發(fā)自己專用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開發(fā)的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時(shí)，才必須簽署數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)授權(quán) SensorTile SensorTile是一種方形的微型化設(shè)計(jì)平臺，其中包含遠(yuǎn)程感測及測量動作 結(jié)論 無人機(jī)是近年來最重要的創(chuàng)新技術(shù)之一。隨著低功耗傳感器與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問世 |
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