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傳感器解決方案在無人機(jī)創(chuàng)新中的關(guān)鍵作用_MEMSIC美新

日期：2016/5/19 2:12:07 作者：Chris Winkler，MEMSIC

較當(dāng)今快速增長(zhǎng)無人機(jī)市場(chǎng)而言，傳感器技術(shù)還未受到廣泛關(guān)注。在這篇文章中，我們將重點(diǎn)討論當(dāng)前無人駕駛飛機(jī)和傳感技術(shù)的發(fā)展情況。

工業(yè)無人機(jī)是無人機(jī)市場(chǎng)中重要的增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Tractica預(yù)測(cè)，到2025年全球商業(yè)無人機(jī)的出貨量將從目前的8萬臺(tái)增加至270萬臺(tái)；與此同時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)服務(wù)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到82億美元/年。在過去，無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新主要集中在軍事應(yīng)用上。然而，最近的重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)已逐步向商業(yè)市場(chǎng)轉(zhuǎn)移。主要包括:

貨物運(yùn)輸與快遞

在遠(yuǎn)程或者不容易到達(dá)的區(qū)域，可以采用無人機(jī)運(yùn)輸藥品和小型物品，包括將物資運(yùn)送到經(jīng)歷了地震、洪水和疾病爆發(fā)的區(qū)域。另一方面，無人機(jī)也可用于商業(yè)快遞。2013年亞馬遜和谷歌都宣布將采用無人機(jī)進(jìn)行貨物投遞，使客戶可以在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就收到訂購的物品。而此類應(yīng)用的關(guān)鍵在于美國聯(lián)邦航空局的飛行規(guī)則。雖然目前無人駕駛飛機(jī)只是僅有的幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)電商的配送方式，但美國聯(lián)邦航空局有望修改規(guī)則，允許一部分超出可視范圍的應(yīng)用。美國聯(lián)邦航空局目前有27個(gè)企業(yè)和貿(mào)易協(xié)會(huì)正在調(diào)查和討論基于大小和飛行路徑的商用無人飛機(jī)的飛行規(guī)則，我們期望持續(xù)關(guān)注定義測(cè)試和飛行規(guī)則，最終的目標(biāo)是允許自主無人機(jī)成為日常商務(wù)的一部分。

監(jiān)測(cè)與測(cè)量

監(jiān)測(cè)與測(cè)量產(chǎn)業(yè)也是目前增幅較大的市場(chǎng)。例如：地磁測(cè)量，可用于預(yù)測(cè)礦藏位置、天然氣和石油管道監(jiān)測(cè)、災(zāi)區(qū)檢查和野火檢測(cè)和預(yù)防。其他應(yīng)用包括：考古研究和數(shù)據(jù)收集，考古學(xué)家可以使用無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)建三維模型的站點(diǎn)，可以節(jié)省研究人員幾個(gè)月的時(shí)間。

環(huán)境與動(dòng)物保護(hù)

環(huán)保組織和動(dòng)物權(quán)利組織通過使用無人機(jī)有效遏制了違法行為，取得了良好的效果。例如，世界野生動(dòng)物自然基金會(huì)（WWF）從2012年開始，在尼泊爾的環(huán)境保護(hù)援助項(xiàng)目中使用無人機(jī)。無人機(jī)主要用于老虎、大象、犀牛、鹿種群的觀測(cè)。世界自然基金會(huì)還曾與納米比亞政府通過使用無人機(jī)來幫助減少犀牛偷獵。海洋守護(hù)者協(xié)會(huì)反捕鯨活動(dòng)人士則通過無人機(jī)監(jiān)視日本的捕鯨船。

法律實(shí)施

在過去的幾年中，許多國家的警察使用無人機(jī)，對(duì)嫌疑人和公共場(chǎng)所進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無人機(jī)可配備非致命性的工具，如電擊槍來調(diào)查罪犯和輔助追捕。例如：美國北達(dá)科他州正在對(duì)配有電擊槍的無人機(jī)進(jìn)行巡邏測(cè)試，而其他無人機(jī)配備傳感器來識(shí)別化學(xué)、生物、放射和核材料。

商業(yè)電影

媒體和電影制片人使用無人機(jī)來捕獲圖像和視頻，從而替代直升機(jī)或昂貴的起重設(shè)備，在降低成本的同時(shí)還可以提高拍攝靈敏度和可操作性，為導(dǎo)演提供更多優(yōu)質(zhì)的圖片和畫面。同時(shí)，無人機(jī)還可以用于捕捉體育事件，獲得運(yùn)動(dòng)員在比賽過程中的動(dòng)態(tài)特寫，特別是運(yùn)動(dòng)員高速運(yùn)動(dòng)過
程中的特寫。加速度傳感器作為無人駕駛飛機(jī)的引導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的上述功能。大疆公司為電影拍攝推出的“大疆精靈3”價(jià)格僅為999美元，是業(yè)界便宜的無人機(jī)之一。近期，GoPro已宣布，將投資開發(fā)一款專門用于視頻錄制的無人駕駛飛機(jī)。

農(nóng)業(yè)

無人機(jī)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用在過去幾年中大幅增加。農(nóng)民使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)和提高作物的健康狀態(tài)和灌溉系統(tǒng)以及牲畜位置。鑒于嚴(yán)重干旱處理等問題，無人機(jī)將成為越來越重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的新型生產(chǎn)工具。美國美林銀行全球研究報(bào)告顯示，農(nóng)業(yè)無人機(jī)的市場(chǎng)潛力，將創(chuàng)造超過10萬個(gè)就業(yè)崗位，2015-2025年的市場(chǎng)容量將達(dá)到820億美元。

醫(yī)療健康

無人機(jī)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的使用也日益受到關(guān)注。小型無人機(jī)可以有效地使用內(nèi)部的醫(yī)療設(shè)施和自主投放，把藥物送至病人床邊。他們也可以用于傳送關(guān)鍵項(xiàng)目如血液分析和醫(yī)療用品，而救護(hù)車無人機(jī)也正在測(cè)試之中。這些無人機(jī)可以用于傳送自動(dòng)體外除顫器來增加心臟驟停患者的存活率。荷蘭代爾夫特大學(xué)已經(jīng)完成該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及定義。

傳感器成就無人駕駛

根據(jù)目前的無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，傳感器技術(shù)將會(huì)起到什么樣的作用？

加速度計(jì)

加速度計(jì)用于確定位置和無人機(jī)的飛行姿態(tài)。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，這些小的硅傳感器在維持飛行控制中起到關(guān)鍵的作用。MEMS加速度傳感器有多種方式感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，一種類型的技術(shù)能夠感知微型集成電路的微小運(yùn)動(dòng)，這類“跳水板”的運(yùn)動(dòng)改變了結(jié)構(gòu)中電
流的移動(dòng)，從而指示與重力有關(guān)的位移變化。

另一種加速度計(jì)的技術(shù)為熱對(duì)流技術(shù)，具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。它沒有移動(dòng)部件，而是通過一個(gè)“熱氣團(tuán)”的位移來感知的運(yùn)動(dòng)變化。這類傳感器靈敏度較高，在穩(wěn)定車載攝像機(jī)、電影制作等應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。通過控制上下運(yùn)動(dòng)和防振功能，制片人就能夠非常順利的捕獲畫面。此外，由于這些傳感器較其他產(chǎn)品有更好的抗震性，熱對(duì)流MEMS傳感器在無人機(jī)螺旋槳運(yùn)動(dòng)的抗震性有著完美的表現(xiàn)。

慣性測(cè)量單元

慣性測(cè)量單元結(jié)合GPS是維持方向和飛行路徑的關(guān)鍵。隨著無人機(jī)智能化的發(fā)展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規(guī)則。慣性測(cè)量單元采用的多軸磁傳感器，在本質(zhì)上都是精準(zhǔn)度極高的小型指南針，通過感知方向?qū)?shù)據(jù)傳輸至中央處理器，從而指示方向和速度。

傾角傳感器

傾角傳感器，集成了陀螺儀和加速度計(jì)為飛行控制系統(tǒng)提供保持水平飛行的數(shù)據(jù)。這是在易碎品運(yùn)輸和投遞過程中最重要的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序。這類傳感器和陀螺儀，結(jié)合加速度計(jì)，能夠測(cè)量到細(xì)微的運(yùn)動(dòng)變化，使得傾角傳感器能夠應(yīng)用于移動(dòng)程序，如汽車或無人駕駛飛機(jī)的陀螺補(bǔ)償。

電流傳感器

在無人機(jī)，電能的消耗和使用非常重要，尤其是在電池供電的情況下。電流傳感器可用于監(jiān)測(cè)和優(yōu)化電能消耗，確保無人機(jī)內(nèi)部電池充電和電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的安全。電流傳感器工作通過測(cè)量電流（雙向），理想的情況下提供電氣隔離，以減少電能損耗和消除電擊損壞用戶系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。同時(shí)，具有快速的響應(yīng)時(shí)間和高精度的傳感器可以優(yōu)化無人駕駛飛機(jī)電池的壽命和性能。

磁傳感器

在無人機(jī)，電子羅盤提供關(guān)鍵性的慣性導(dǎo)航和方向定位系統(tǒng)的信息�；诟飨虍愋源抛瑁ˋMR）技術(shù)的傳感器，較其他傳感器相比有明顯的地功耗優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有高精度、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，非常適用于無人機(jī)的應(yīng)用。整體解決方案為無人駕駛飛機(jī)制造商提供質(zhì)了量數(shù)據(jù)傳感穩(wěn)定且緊湊的封裝。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器

流量傳感器可以用于有效地監(jiān)測(cè)電力無人機(jī)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的微小空氣流速。這一功能能夠幫助引擎CPU確定在特定的引擎速度下保持適當(dāng)?shù)娜剂峡諝獗戎担瑥亩纳乒β屎托�，并減少排放量。許多氣體發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量傳感器都采用熱式技術(shù)，主要利用加熱的元件和至少一個(gè)溫度傳感器來量化質(zhì)量流量。MEMS熱式氣體質(zhì)量流量傳感器也在微計(jì)量范圍內(nèi)利用熱原理及其適用于對(duì)重量要求較高的領(lǐng)域。

美新公司的技術(shù)與產(chǎn)品適用于多種控制系統(tǒng)

美新MEMS技術(shù)獨(dú)創(chuàng)性的采用了單芯片集成技術(shù)，能夠最大限度的承受抗沖擊力和振動(dòng)，從而大幅提高了傳感器和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。美新加速度計(jì)系列產(chǎn)品能夠廣泛用于包括無人機(jī)在內(nèi)的多種領(lǐng)域，包括：汽車安全系統(tǒng)穩(wěn)定性控制和翻轉(zhuǎn)檢測(cè)。美新的加速度計(jì)如上文所述，因?yàn)闆]有移動(dòng)部件，只移動(dòng)的“熱氣團(tuán)”，具有卓越的穩(wěn)定性。同時(shí)，用于測(cè)量加速度的技術(shù)也可以有效的用于測(cè)量氣體流量。美新的氣體流量傳感器較其他傳感器相比具有體積小、低功耗和寬量程等優(yōu)勢(shì)。在氣體檢測(cè)有著完美的表現(xiàn)，如燃?xì)鉄o人機(jī)和新型醫(yī)療設(shè)備。

美新慣性導(dǎo)航單元（IMUs）系列產(chǎn)品已在在超過100個(gè)型號(hào)的飛行器中使用。這些通過美國聯(lián)邦航空署（FAA）認(rèn)證過的器件，在新型飛機(jī)的精度定向和農(nóng)業(yè)無人控制設(shè)備中發(fā)揮著越來越重要的作用。美新最新的IMU380系列產(chǎn)品，是專門針對(duì)私人飛機(jī)、農(nóng)用無人控制設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)品，具有體積小、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。

傾角傳感器與陀螺補(bǔ)償對(duì)工業(yè)和建筑機(jī)械水平校準(zhǔn)至關(guān)重要。這些高精度的傳感器在安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括草坪割草機(jī)和摩托車應(yīng)用中。

電力消費(fèi)監(jiān)測(cè)是另一個(gè)非常重要的應(yīng)用系統(tǒng)，美新電流傳感器提供了良好的過問性能，大幅提高了動(dòng)態(tài)范圍、分辨率和帶寬。

傳感器在多元化的產(chǎn)品應(yīng)用中比以往任何時(shí)候都顯得重要。在當(dāng)今的環(huán)境中，安全和穩(wěn)定的操作都在來自于高度精確和可靠的傳感技術(shù)的使用。

聲明
感謝美國東北大學(xué)研究生Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin、Ke Xuan和副教授Tucker Marion。他們?yōu)檫@篇文章做了大量的市場(chǎng)信息收集和調(diào)研。

參考資料
https://www.tractica.com/newsroom/press-releases/commercial-drone-shipments-to-surpass-2-6-m
illion-units-annually-by-2025-according-to-tractica/