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- 無人駕駛航空電子系統(tǒng)的傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/12/10
本文討論在為無人機(jī) (UAV) 開發(fā)從壓力到振動(dòng)、位置傳感器時(shí)所面臨的各種挑戰(zhàn)。 飛行器的自身環(huán)境為我們帶來了一系列挑戰(zhàn)，從傳感器節(jié)點(diǎn)到電力和重量管理。
為提升各種系統(tǒng)的監(jiān)視能力，新一代無人機(jī) (UAV) 正在開發(fā)之中。 從跟蹤澳大利亞叢林火災(zāi)，到監(jiān)視美國交通路況，這些無人機(jī)使得大多數(shù)最新傳感器技術(shù)在許多方面大顯身手。 例如，紅外攝像可在夜里跟蹤失蹤的人，而激光光譜技術(shù)又可用于監(jiān)視大氣污染情況。
通過增加無人機(jī)的移動(dòng)靈活性以及更快的響應(yīng)時(shí)間，采用機(jī)載傳感器能夠顯著提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。 此外，再加上由遙控飛機(jī)過渡到需要慣性導(dǎo)航傳感器的自主系統(tǒng)，從而將加速計(jì)、磁力儀和 GPS 系統(tǒng)融合在一起。 所有這些都需要更多地關(guān)注在重量和動(dòng)力方面極受限制的航空應(yīng)用中的傳感器系統(tǒng)集成。
改變傳感器架構(gòu)可將控制傳感器完全取消，進(jìn)而顯著縮小 UAV 體積。 這將創(chuàng)造出一類全新的超小型 UAV。
同時(shí)，研究人員正在利用手持式 UAV 開發(fā)并測(cè)試其傳感器系統(tǒng)。 針對(duì)交通擁擠、安全和環(huán)境影響研究的 Phastball-0 無人機(jī)已在美國西佛吉尼亞大學(xué) (WVU) 開發(fā)成功。 這款手動(dòng)發(fā)射式 UAV 翼展 96 英寸，起飛重量 21 磅，含 7 磅遠(yuǎn)程檢測(cè)有效載荷。 這款飛行器在 9 信道 R/C 無線系統(tǒng)遙控下飛行，并由一對(duì)無刷電動(dòng)涵道風(fēng)扇提供動(dòng)力。 采用電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)能簡(jiǎn)化飛行操作，減少在機(jī)載傳感器上產(chǎn)生的振動(dòng)。
遠(yuǎn)程檢測(cè)有效載荷系統(tǒng)包括一個(gè)高清數(shù)碼相機(jī)、GPS 接收器、低成本慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)、400 碼下視型激光測(cè)距儀、飛行數(shù)據(jù)記錄儀、攝像機(jī)和無線視頻傳輸系統(tǒng)。
德國法蘭克福 Goethe 大學(xué)的研究人員正在使用 UAV 彌補(bǔ)衛(wèi)星照片之間的數(shù)據(jù)差異，以監(jiān)視摩洛哥的土壤流失情況。 由德國 MAVinci 開發(fā)的固定翼 Sirius I UAV 配備了 Panasonic 數(shù)字系統(tǒng)相機(jī)，并在不同范圍、不同飛行高度下對(duì)不同的研究地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，以獲取具有極高分辨率、特定地點(diǎn)數(shù)據(jù)和較低分辨率的全景圖。 利用圖像處理和 GPA 數(shù)據(jù)，可創(chuàng)建數(shù)字式地形模型 (DTM) 和高分辨率拼接圖像，從而以 2D 或 3D 方式鑒定土壤流失情況。 此外，還有助于分析周圍區(qū)域和景觀開發(fā)情況。
上述案例是利用 UAV 監(jiān)視外部情況，但無人機(jī)本身也需要監(jiān)視。 內(nèi)部傳感器是 UAV 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵部分，可以確保飛行器安全、正常地工作，此處的傳感器如 應(yīng)變儀用于監(jiān)視機(jī)身情況，避免飛行中出現(xiàn)問題。 實(shí)現(xiàn)這些功能需要連接 ADC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，然后通過 SPI 接口與微控制器連接。 接下來，就可保存數(shù)據(jù)以備后用，或者在飛行器內(nèi)進(jìn)行分析或傳回地面，用于監(jiān)視 UAV 性能。
因?yàn)椴皇侨斯ぽ斎�，有關(guān) UAV 的數(shù)據(jù)收集和處理能力就變得至關(guān)重要，且由于重量和尺寸限制，實(shí)現(xiàn)這一功能是設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
為傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電力也受到極大限制。 澳大利亞 Queensland University of Technology（昆士蘭理工大學(xué)）開發(fā)的 2.5 m 長 Green Falcon 無人機(jī)采用二十八塊單晶體太陽能電池供電。 這些電池能為機(jī)載像機(jī)和傳感器產(chǎn)生 0.5 W 電力，用于跟蹤叢林大火的蔓延情況。
澳大利亞的 Green Falcon UAV
圖 1：澳大利亞的 Green Falcon UAV 從太陽能電池僅產(chǎn)生 0.5 W 電力，向其傳感器供電。
較大型 UAV 利用其更大的表面積和太陽能電池產(chǎn)生更多的電力，因此能采用更多的傳感器。 例如，Solara 50 無人機(jī)長 15.5 米（54 英尺），有效載荷 32 公斤（70 磅）。 這款無人機(jī)采用了 3000 塊太陽能電池，分別分布在上機(jī)翼、升降舵和水平尾翼上，可提供高達(dá) 7 kW 的電力，并將多余部分存儲(chǔ)在機(jī)翼中的鋰離子電池中。 這樣充足的電力能讓這款無人機(jī)象一個(gè)機(jī)載監(jiān)視站一樣，以 65 mph 的速度在 20 公里（65,000 英尺）的高空巡航達(dá)五年時(shí)間。 這款無人機(jī)的大型版本為 Solara 60，翼展 60 米（197 英尺），載荷達(dá) 100 公斤（250 磅）。
Solara 50
圖 2：Solara 50 產(chǎn)生的 7 W 電力能向其傳感器供電長達(dá)五年。
一些傳感器是 UAV 飛行不可或缺的，其中陀螺儀和加速計(jì)用于監(jiān)視飛行器自身的位置和飛行方向。 Solara 50 也在有效載荷中配備了各種各樣的傳感器，并采用高速無線鏈路向地面站傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)。
同樣地，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的 UAV 研究團(tuán)隊(duì)正在利用如 Ultra Stick 120 等業(yè)余型遙控飛機(jī)開發(fā)一種低成本、開源、小型 UAV 飛行研究設(shè)施。 這樣做得目的是支持系內(nèi)的研究活動(dòng)，其中包括控制、導(dǎo)航和制導(dǎo)算法、嵌入式故障檢測(cè)方法和系統(tǒng)識(shí)別工具。
該研究團(tuán)隊(duì)選用了具有三種規(guī)格的 Ultra Stick 飛行器系列：120、25e 和 Mini 型，這些飛行器上安裝了豐富的傳感器子系統(tǒng)。 慣性測(cè)量裝置 (IMU) 采用了 Analog Devices iSensor® ADIS16405，而 GPS 系統(tǒng)則采用了 Sirf III 芯片組。
Analog Devices 的 ADIS16405
圖 3：Analog Devices 的 ADIS16405 采用 UAV 慣性測(cè)量系統(tǒng)。
該團(tuán)隊(duì)將 16 位分辨率 Semtech SX8724C 縮放式 ADC 用作連接 Honeywell 壓力傳感器的主 ADC。 這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 Semtech 的低功耗縮放式 ADC 技術(shù)，并將大多數(shù)類型的微型傳感器與通用微控制器直接連接。
該系統(tǒng)采用三種差分輸入，能夠適應(yīng)多個(gè)傳感器系統(tǒng)。 其數(shù)字輸出用于對(duì)傳感元件進(jìn)行偏置或者復(fù)位。 數(shù)據(jù)采集鏈由一個(gè)輸入多路復(fù)用器、三個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)過采樣 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。 基準(zhǔn)電壓可在兩個(gè)不同的通道上選取，并利用兩個(gè)失調(diào)補(bǔ)償放大器實(shí)現(xiàn)很寬的失調(diào)補(bǔ)償范圍。 可編程增益和失調(diào)允許應(yīng)用將基準(zhǔn)電壓確定的輸入范圍中的一小部分放大。
八輸入多路復(fù)用器用于選擇模擬輸入，而基準(zhǔn)輸入則在兩個(gè)不同的通道間選擇。 然而，由于輸入放大器始終在差模方式下運(yùn)行，且采用由多路復(fù)用器選擇的正輸入和負(fù)輸入，因此在單端配置中僅有七個(gè)采集通道可用（含 VREF）。
縮放部分的核心是三個(gè)可編程差分放大器 (PGA)。 選定由一個(gè)輸入、基準(zhǔn)信號(hào) VIN 和 VREF 形成的組合后，輸入電壓將經(jīng)過 1 至 3 級(jí)調(diào)制和放大。 達(dá)到 1000 V/V 的可編程微調(diào)增益與傳感器分辨率匹配。 最后兩級(jí)提供可編程失調(diào)，并在需要時(shí)旁路掉每個(gè)放大器。 然后，PGA 級(jí)聯(lián)的輸出被直接發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用于微控制器的數(shù)字流。 這些數(shù)據(jù)然后被保存或打包，并通過無線方式發(fā)送至地面。
來自 Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 是一款包含三軸陀螺儀、加速計(jì)和磁力儀的完整慣性系統(tǒng)。 該系統(tǒng)將 iMEMS 微加工技術(shù)與可優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能的信號(hào)調(diào)節(jié)功能相結(jié)合。 CMOS 技術(shù)用來減小傳感器尺寸和成本，并降低功耗。 每個(gè)傳感器在出廠前均針對(duì)靈敏度、偏置、對(duì)準(zhǔn)和線性加速度（陀螺儀偏置）進(jìn)行了特征化，以應(yīng)對(duì)陀螺儀的偏置現(xiàn)象。 因此，每個(gè)傳感器都有自己的校正公式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，該公式有助于在 40°C 至 +85°C 范圍進(jìn)行精確測(cè)量。 磁力儀具有自校正功能，以便在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的偏置性能。 解決 UAV 傳感器的溫度變化問題，是確保所接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有用的關(guān)鍵。
Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor
圖 4：Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 的框圖。
與分立設(shè)計(jì)相比，ADIS16445 是一種簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)高效的方法，適用于集成準(zhǔn)確的多軸慣性檢測(cè)功能。 工廠生產(chǎn)過程包含了測(cè)試、校準(zhǔn)過程，因而將系統(tǒng)集成時(shí)間縮短至最少；在導(dǎo)航系統(tǒng)中，嚴(yán)格的正交對(duì)準(zhǔn)又簡(jiǎn)化了慣性坐標(biāo)系的對(duì)準(zhǔn)。 改進(jìn)型串行外設(shè)接口 (SPI) 和寄存器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)收集速度和配置控制；通過使用兼容性引腳布局和與 ADIS1635x、ADIS1636x 相同的封裝，則只需通過改變固件以容納更多的傳感器和升級(jí)寄存器映射方式，即可完成 ADIS16400 升級(jí)。
盡管ADIS16400 能獨(dú)立生成數(shù)據(jù)，但還可用作與系統(tǒng)（主機(jī)）處理器通信的 SPI 從設(shè)備。 SPI 在全雙工模式下運(yùn)行，也就是說主處理器可以從 DOUT 讀取輸出數(shù)據(jù)，并能利用相同的 SCLK 脈沖在 DIN 上發(fā)送下一個(gè)目標(biāo)地址。
為了將空間要求降至最小，該模塊尺寸為 23 mm × 23 mm × 23 mm 并采用靈活的連接器接口，以提供多種安裝方向。
在穿過對(duì)有人機(jī)來說是太過危險(xiǎn)的區(qū)域時(shí)，無人機(jī)尤其有用。 但是，這需要更多的傳感器。 美國的國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 正利用 Aerosonde UAV 追蹤颶風(fēng)，利用絕對(duì)壓力傳感器測(cè) 量風(fēng)速和氣壓降。 這款 UAV 由澳大利亞制造，能夠向位于佛羅里達(dá)州的國家颶風(fēng)中心直接發(fā)送近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。 除了標(biāo)準(zhǔn)氣壓和溫度讀數(shù)外，這款無人機(jī)還能在比以前系統(tǒng)提供更接近水面的測(cè)量值。 英國的 UAV 制造商 UAVSI 也有其 Vigilant 20 kg 系統(tǒng)版本，且該機(jī)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可用于在諸如南極等惡劣氣候條件下進(jìn)行科學(xué)研究。
傳感器架構(gòu)已變得越來越重要，無論是 UAV 機(jī)載傳感器還是地面?zhèn)鞲衅�，在設(shè)計(jì)中都舉足輕重。 雖然這聽起來可能奇怪，但 US DARPA 研究機(jī)構(gòu)已就自適應(yīng)式 ADAPT 傳感器系統(tǒng)與有經(jīng)驗(yàn)的移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)商展開協(xié)作。 這是一個(gè)能在不同設(shè)置中使用的靈活傳感器結(jié)構(gòu)，但會(huì)利用定制版 Android 操作系統(tǒng)將重點(diǎn)放在智能、監(jiān)控和偵察 (ISR) 設(shè)計(jì)方面。
在DAEPA 測(cè)試中，簡(jiǎn)單的四軸飛行器采用 ADAPT 傳感器自動(dòng)跟蹤其與地面的距離。 作為 ADAPT 核心的無人值守地面?zhèn)鞲衅?(UGS) 將飛行指令轉(zhuǎn)發(fā)至 UAV，因此允許“直升機(jī)”變得更小。 DARPA 認(rèn)為，ADAPT 可在軍事領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)更快、更有效的技術(shù)開發(fā)，但在某些方面，傳感器也能在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中發(fā)揮各種作用，如 Bitcraze 的 Crazyflie。 這是一款按照不同機(jī)載傳感器分為兩個(gè)版本的 9 cm x 9 cm 四軸飛行器，其重量?jī)H 19 g。 這款飛行器的飛行時(shí)間長達(dá)七分鐘，通過標(biāo)準(zhǔn) USB 塢站大約需要 20 分鐘就能為其鋰聚合物電池充滿電。
Crazyflie 的微型四軸飛行器 UAV
圖 5：Crazyflie 的微型四軸飛行器 UAV。
總結(jié)
目前，有各種形式的傳感器被集成到 UAV 中，但電力和重量方面的限制仍會(huì)制約可以加到此類系統(tǒng)中的傳感器。 紅外和傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)，甚至還有激光光譜系統(tǒng)正運(yùn)用到 UAV 中，以擴(kuò)大測(cè)量范圍。 然而，UAV 本身的控制也需要傳感器。 更復(fù)雜的慣性測(cè)量和 GPS 跟蹤系統(tǒng)采用最新的硅晶技術(shù)，減少了電力需求和重量。 對(duì)于在 UAV 系統(tǒng)中有效工作的堅(jiān)固型加速計(jì)，微加工傳感器會(huì)讓其具有高度集成的數(shù)據(jù)處理能力，從而進(jìn)一步減小功耗和尺寸。
通過從不同的方面考慮傳感器架構(gòu)，UAV 的體積會(huì)顯著變小并找到各種不同的新用途。
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