剖析无人机中的传感器和无线技术

无人机（drone）的正式名称为无人飞行器（unmanned aerial vehicle），它是一种不需要人驾驶的飞行器，主要通过遥控或内设的智能控件进行操控。该如何通过整合嵌入式系统，提供器具导航、自我平衡等功能并飞行到特定高度，同时还能和位于远端的使用者或机器交换信息，无人机就是一个最好的实例。

传统上来说，无人机常见于防御及科学方面的应用，像是深入偏远地区、监控、气象侦测或送货到条件恶劣的地区。近来由于低成本的微型低功耗嵌入式技术问世，无人机逐渐被运用在消费性应用。现在无人机已成为玩具、摄影辅助器材、送货载农药喷洒的工具等。

无人机吸引了各类人的浓厚兴趣，包括创新企业、学生、系统整合商、解决方案供应商、电商以及科技供应商。无人机可使人类的生活变得更好、更安全也更有效率。

感测器以低功耗网络连接技术出现重大进展，是近来无人机得以飞快成长的关键所在，而本文也将对此加以详细说明。

无人机的特性

无人机的动作必须非常精确，除了稳定，还要能到飞行到预期的高度并有效进行沟通。因此，一台最基本的无人机必须具备以下特性：

a)稳定

无人机应该要稳定，不可无预警突然震动、摇晃或倾斜，否则就会失去平衡并坠毁。

b)精确

无人机的动作要非常精确。至于动作可能指距离、速度、加速、方向与高度。

c)能抵抗各种环境条件

无人机要能抵抗下雨、灰尘、高温等环境状况。而且不止外部材质，无人机内部所使用的电子零件也要如此/

d)低功耗

无人机将会变得越来越轻，因此如何确保超低功耗以尽量缩小电池尺寸就显得尤为重要。低功耗技术的崛起，已使得无人机技术得以普及化。

e)环境感知

环境传感技术逐渐崛起，成为无人机最关键的发展领域之一。现在的无人机都具备好几种传感器以监测环境。收集到的资料可用在各种应用，例如气象监测、农业等用途。

f)联网功能

联网功能是无人机崛起并广为市场接受的重要因素。无人机可通过简单的智能手机、遥控器或直接通过云端加以控制。应根据不同使用案例，提供适合的联网功能解决方案。有的无人机会采用多种联网功能解决方案，以满足多用途使用案例的需求。

传感器在无人机里所扮演的角色

核心传感器

这些传感器位于无人机的核心位置，可确保装置功能与导航正常运作。 这些传感器包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘与气压传感器。

加速度计

加速度计是用来提供无人机在XYZ三轴方向所承受的加速力。它也能决定无人机在静止状态时的倾斜角度。 当无人机呈现水平静止状态，X轴与Y轴为0克输出，而Z轴则为1克输出。 地球上所有对象所承受的重力均为1克。若要无人机X轴旋转90度，那么就在X轴与Z轴施以0克输出，Y轴则施以1克输出。倾斜时，XYZ轴均施以0到1克之间的输出。相关数值便可应用于三角公式，让无人机达到特定倾斜角度。

加速度计同时也用来提供水平及垂直方向的线性加速。相关数据可做为计算速率、方向，甚至是无人机高度的变化率。 加速度计还可以用来监测无人机所承受的震动。

对于任何一款无人机来说，加速度计都是一个非常重要的传感器，因为即使无人机处于静止状态，都要靠它提供关键输入。

陀螺仪

陀螺仪传感器能监测三轴的角速度，因此可监测出俯仰（pitch）、翻滚（roll）和偏摆（yaw）时角度的变化率。即使是一般飞行器，陀螺仪都是相当重要的传感器。角度信息的变化能用来维持无人机稳定并防止晃动。由陀螺仪所提供的信息将汇入马达控制驱动器，通过动态控制马达速度，并提供马达稳定度。 陀螺仪还能确保无人机根据用户控制装置所设定的角度旋转。 意法半导体新推出的创新技术LSM6DSM，是一款结合加速度计与陀螺仪的惯性测量装置（IMU）。它还能提供两项独立的陀螺仪输出——这种特色能用于飞行控制，同时当无人机配备摄影机的时候，也可用来稳定摄影机（OIS光学影像稳定／EIS电子影像稳定功能）。

磁罗盘

正如名称所示，磁罗盘能为无人机提供方向感。它能提供装置在XYZ各轴向所承受磁场的数据。接着相关数据会汇入微控制器的运算法，以提供磁北极相关的航向角，然后就能用这些信息来侦测地理方位。

为了算出正确方向，磁性数据还需要加速度计提供倾斜角度数据以补强信息。有了倾斜数据加上磁性数据，就能计算出正确方位。

磁罗盘对于硬铁、软铁或运转角度都非常敏感。所谓硬铁是指传感器附近的坚硬、永久性铁磁性物质。 它能使罗盘读数产生永久性偏移。 软铁则是指附近有弱铁磁性物质，电路走线等。 它能让传