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      無人機的傳感器

      2019-05-30 17:51:52 186

      【摘自《傳感器技術》】

      隨著無人機技術的進步,無人機逐漸由軍用領域拓展到了民用領域,并成為近幾年迅速發展的新興產業。為了能更好的控制無人機的飛行,各種傳感器的運用則起到了十分重要的作用。因此,有人將無人機稱為一架會飛行的“傳感器”。那么,無人機能在天上實現穩定的飛行,完成不同的動作,需要用到哪些傳感器呢? 

      加速度計

      加速度計是用來提供無人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機在靜止狀態時的傾斜角度。 當無人機呈現水平靜止狀態,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X軸旋轉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,XYZ軸均施以0到1克之間的輸出。相關數值便可應用于三角公式,讓無人機達到特定傾斜角度。

      加速度計同時也用來提供水平及垂直方向的線性加速。相關數據可做為計算速率、方向,甚至是無人機高度的變化率。 加速度計還可以用來監測無人機所承受的震動。

      對于任何一款無人機來說,加速度計都是一個非常重要的傳感器,因為即使無人機處于靜止狀態,都要靠它提供關鍵輸入。

      陀螺儀

      陀螺儀傳感器能監測三軸的角速度,因此可監測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時角度的變化率。即使是一般飛行器,陀螺儀都是相當重要的傳感器。角度信息的變化能用來維持無人機穩定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動器,通過動態控制馬達速度,并提供馬達穩定度。 陀螺儀還能確保無人機根據用戶控制裝置所設定的角度旋轉。

      磁羅盤

      正如名稱所示,磁羅盤能為無人機提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的數據。接著相關數據會匯入微控制器的運算法,以提供磁北極相關的航向角,然后就能用這些信息來偵測地理方位。

      為了算出正確方向,磁性數據還需要加速度計提供傾斜角度數據以補強信息。有了傾斜數據加上磁性數據,就能計算出正確方位。

      磁羅盤對于硬鐵、軟鐵或運轉角度都非常敏感。所謂硬鐵是指傳感器附近的堅硬、永久性鐵磁性物質。 它能使羅盤讀數產生永久性偏移。 軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質,電路走線等。 它能讓傳感器讀數產生可變動移位。因此它也需要磁性傳感器校正算法,以過濾掉這些異常狀況。 這時候最重要的是讓用戶不必費力,運算法就能快速進行校正。

      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、車輛、其他無人機等等,以避免事故發生。

      氣壓計

      氣壓計運作的原理,就是利用大氣壓力換算出高度。 壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。 由氣壓計所提供的數據能協助無人機導航,上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度,對無人機飛行控制來說相當重要。意法半導體已推出LPS22HD壓力傳感器,數據速率達200Hz可滿足預測高度時的需求。

      超聲波傳感器

      無人機采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質會反彈這一特性,進行高度控制。前面就提到過近地面的時候,利用氣壓傳感器是無法應對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠實現高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結合,就可以實現無人機無論是在高空還是低空都能夠平穩飛行。

      GPS

      如同汽車有導航系統一般,無人機也有導航系統。通過GPS,才可能知道無人機機體的位置信息。GPS是全球導航系統之一,是美國的衛星導航系統。不過最近的無人機開始不單單采用GPS了,有些機型會同時利用GPS與其他的衛星導航系統相結合,同時接收多種信號,檢測無人機位置。無論是設定經度緯度進行自動飛行,還是保持定位進行懸停,GPS都是極其重要的一大功能。

      不過由于衛星自己會經常移動,同時受建筑物與磁場的影響,也存在接收不到GPS信號的情況。這一點是值得注意的。

      當然除了上述的幾種傳感器,無人機中還可能會用到檢測電壓電流狀態的傳感器、檢測障礙物的紅外線傳感器。正是由這些宛如人感官一般的傳感器在無人機中發揮作用,無人機才能夠在空中平穩飛行。

      特定應用傳感器

      這類傳感器并不影響無人機的核心功能運作,但越來越常被用在無人機上,以提供各種不同應用,例如氣候監測、農耕用途等。

      濕度傳感器:濕度傳感器能監測濕度參數,相關數據則可應用在氣象站、凝結高度監測、空氣密度監測與氣體傳感器測量結果的修正。

      MEMS麥克風:MEMS麥克風是一種能將聲音頻號轉換為電子訊號的音頻傳感器。 MEMS麥克風正逐漸取代傳統麥克風,因為它們能提供更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性,面對震動時也更加穩健。 這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監控、間諜行動等應用。

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