無人機(jī)的傳感器

【摘自《傳感器技術(shù)》】

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(duì)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(cè)無人機(jī)所承受的震動(dòng)。

對(duì)于任何一款無人機(jī)來說，加速度計(jì)都是一個(gè)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(cè)三軸的角速度，因此可監(jiān)測(cè)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(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)器，通過動(dòng)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(chǎng)的數(shù)據(jù)。接著相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)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(cè)地理方位。

為了算出正確方向，磁性數(shù)據(jù)還需要加速度計(jì)提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補(bǔ)強(qiáng)信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù)，就能計(jì)算出正確方位。

磁羅盤對(duì)于硬鐵、軟鐵或運(yùn)轉(zhuǎn)角度都非常敏感。所謂硬鐵是指?jìng)鞲衅鞲浇膱?jiān)硬、永久性鐵磁性物質(zhì)。 它能使羅盤讀數(shù)產(chǎn)生永久性偏移。 軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質(zhì)，電路走線等。 它能讓傳感器讀數(shù)產(chǎn)生可變動(dòng)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(shí)候最重要的是讓用戶不必費(fèi)力，運(yùn)算法就能快速進(jìn)行校正。

除了方向的感測(cè)，磁性傳感器也可以用來偵測(cè)四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線、車輛、其他無人機(jī)等等，以避免事故發(fā)生。

氣壓計(jì)

氣壓計(jì)運(yùn)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(cè)地球的大氣壓力。 由氣壓計(jì)所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無人機(jī)導(dǎo)航，上升到所需的高度。準(zhǔn)確估計(jì)上升與下降速度，對(duì)無人機(jī)飛行控制來說相當(dāng)重要。意法半導(dǎo)體已推出LPS22HD壓力傳感器，數(shù)據(jù)速率達(dá)200Hz可滿足預(yù)測(cè)高度時(shí)的需求。

超聲波傳感器

無人機(jī)采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會(huì)反彈這一特性，進(jìn)行高度控制。前面就提到過近地面的時(shí)候，利用氣壓傳感器是無法應(yīng)對(duì)的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)無論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS

如同汽車有導(dǎo)航系統(tǒng)一般，無人機(jī)也有導(dǎo)航系統(tǒng)。通過GPS，才可能知道無人機(jī)機(jī)體的位置信息。GPS是全球?qū)Ш较到y(tǒng)之一，是美國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。不過最近的無人機(jī)開始不單單采用GPS了，有些機(jī)型會(huì)同時(shí)利用GPS與其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，同時(shí)接收多種信號(hào)，檢測(cè)無人機(jī)位置。無論是設(shè)定經(jīng)度緯度進(jìn)行自動(dòng)飛行，還是保持定位進(jìn)行懸停，GPS都是極其重要的一大功能。

不過由于衛(wèi)星自己會(huì)經(jīng)常移動(dòng)，同時(shí)受建筑物與磁場(chǎng)的影響，也存在接收不到GPS信號(hào)的情況。這一點(diǎn)是值得注意的。

當(dāng)然除了上述的幾種傳感器，無人機(jī)中還可能會(huì)用到檢測(cè)電壓電流狀態(tài)的傳感器、檢測(cè)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(jī)中發(fā)揮作用，無人機(jī)才能夠在空中平穩(wěn)飛行。

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，以提供各種不同應(yīng)用，例如氣候監(jiān)測(cè)、農(nóng)耕用途等。

濕度傳感器：濕度傳感器能監(jiān)測(cè)濕度參數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)則可應(yīng)用在氣象站、凝結(jié)高度監(jiān)測(cè)、空氣密度監(jiān)測(cè)與氣體傳感器測(cè)量結(jié)果的修正。

MEMS麥克風(fēng)：MEMS麥克風(fēng)是一種能將聲音頻號(hào)轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)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)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性，面對(duì)震動(dòng)時(shí)也更加穩(wěn)健。 這類傳感器可用在無人機(jī)的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動(dòng)等應(yīng)用。