傳感器解決方案在無人機創(chuàng)新中的關鍵作用

較當今快速增長無人機市場而言，傳感器技術還未受到廣泛關注。在這片文章中，我們將重點討論當前無人駕駛飛機和傳感技術的發(fā)展情況。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，工業(yè)無人機是無人機市場中重要的增長產業(yè)。根據(jù)市場研究公司Tractica預測，到2025年全球商業(yè)無人機的出貨量將從目前的8萬臺增加至270萬臺；與此同時產生的相關服務產業(yè)將達到82億美元/年。在過去，無人機技術創(chuàng)新主要集中在軍事應用上。然而，最近的重點發(fā)展趨勢已逐步向商業(yè)市場轉移。主要包括︰

貨物運輸與快遞

在遠程或者不容易到達的區(qū)域，可以采用無人機運輸藥品和小型物品，包括將物資運送到經歷了地震、洪水和疾病爆發(fā)的區(qū)域。另一方面，無人機也可用于商業(yè)快遞。2013年亞馬遜和谷歌都宣布將采用無人機進行貨物投遞，使客戶可以在幾個小時之內就收到訂購的物品。而此類應用的關鍵在于美國聯(lián)邦航空局的飛行規(guī)則。雖然目前無人駕駛飛機只是僅有的幾個網絡電商的配送方式，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用。美國聯(lián)邦航空局目前有27個企業(yè)和貿易協(xié)會正在調查和討論基于大小和飛行路徑的商用無人飛機的飛行規(guī)則，我們期望持續(xù)關注定義測試和飛行規(guī)則，最終的目標是允許自主無人機成為日常商務的一部分。

監(jiān)測與測量

監(jiān)測與測量產業(yè)也是目前增幅較大的市場。例如：地磁測量，可用于預測礦藏位置、天然氣和石油管道監(jiān)測、災區(qū)檢查和野火檢測和預防。其他應用包括：考古研究和數(shù)據(jù)收集，考古學家可以使用無人機技術創(chuàng)建三維模型的站點，可以節(jié)省研究人員幾個月的時間。

環(huán)境與動物保護

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

法律實施

在過去的幾年中，許多國家的警察使用無人機，對嫌疑人和公共場所進行監(jiān)測。無人機可配備非致命性的工具，如電擊槍來調查罪犯和輔助追捕。例如：美國北達科他州正在對配有電擊槍的無人機進行巡邏測試，而其他無人機配備傳感器來識別化學、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來捕獲圖像和視頻，從而替代直升機或昂貴的起重設備，在降低成本的同時還可以提高拍攝靈敏度和可操作性，為導演提供更多優(yōu)質的圖片和畫面。同時，無人機還可以用于捕捉體育事件，獲得運動員在比賽過程中的動態(tài)特寫，特別是運動員高速運動過程中的特寫。加速度傳感器作為無人駕駛飛機的引導系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機的上述功能。大疆公司為電影拍攝推出的“大疆精靈3”價格僅為999美元，是業(yè)界便宜的無人機之一。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。

農業(yè)

無人機在農業(yè)的應用在過去幾年中大幅增加。農民使用無人機監(jiān)測和提高作物的健康狀態(tài)和灌溉系統(tǒng)以及牲畜位置。鑒于嚴重干旱處理等問題，無人機將成為越來越重要的農業(yè)產業(yè)化的新型生產工具。美國美林銀行全球研究報告顯示，農業(yè)無人機的市場潛力，將創(chuàng)造超過10萬個就業(yè)崗位，2015年至2025年的市場容量將達到820億美元。

醫(yī)療健康

無人機在醫(yī)療保健領域的使用也日益受到關注。小型無人機可以有效地使用內部的醫(yī)療設施和自主投放，把藥物送至病人床邊。他們也可以用于傳送關鍵項目如血液分析和醫(yī)療用品，而救護車無人機也正在測試之中。這些無人機可以用于傳送自動體外除顫器來增加心臟驟停患者的存活率。荷蘭代爾夫特大學已經完成該產品的設計及定義。

傳感器成就無人駕駛

根據(jù)目前的無人機發(fā)展趨勢，傳感器技術將會起到什么樣的作用？如下圖所示。

圖1美新公司傳感器技術廣泛用于新型無人機技術及解決方案中

加速度計

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

另一種加速度計的技術為熱對流技術，具有幾個明顯的優(yōu)勢。它沒有移動部件，而是通過一個“熱氣團”的位移來感知的運動變化。這類傳感器靈敏度較高，在穩(wěn)定車載攝像機、電影制作等應用起著至關重要的作用。通過控制上下運動和防振功能，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品有更好的抗震性，熱對流MEMS傳感器在無人機螺旋槳運動的抗震性有著完美的表現(xiàn)。

慣性測量單元

慣性測量單元結合GPS是維持方向和飛行路徑的關鍵。隨著無人機智能化的發(fā)展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規(guī)則。慣性測量單元采用的多軸磁傳感器，在本質上都是精準度極高的小型指南針，通過感知方向將數(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)。這是在易碎品運輸和投遞過程中最重要的穩(wěn)定性監(jiān)測應用程序。這類傳感器和陀螺儀，結合加速度計，能夠測量到細微的運動變化，使得傾角傳感器能夠應用于移動程序，如汽車或無人駕駛飛機的陀螺儀補償。

電流傳感器

在無人機，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)測和優(yōu)化電能消耗，確保無人機內部電池充電和電機故障檢測系統(tǒng)的安全。電流傳感器工作通過測量電流（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)的機會。同時，具有快速的響應時間和高精度的傳感器可以優(yōu)化無人駕駛飛機電池的壽命和性能。

磁傳感器

在無人機，電子羅盤提供關鍵性的慣性導航和方向定位系統(tǒng)的信息。基于各向異性磁阻（AMR）技術的傳感器，較其他傳感器相比有明顯的地功耗優(yōu)勢，同時具有高精度、響應時間短等特點，非常適用于無人機的應用。整體解決方案為無人駕駛飛機制造商提供質了量數(shù)據(jù)傳感穩(wěn)定且緊湊的封裝。

發(fā)動機進氣流量傳感器

流量傳感器可以用于有效地監(jiān)測電力無人機燃氣發(fā)動機的微小空氣流速。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?shù)娜剂峡諝獗戎担瑥亩纳乒β屎托剩p少排放量。許多氣體發(fā)動機質量流量傳感器都采用熱式技術，主要利用加熱的元件和至少一個溫度傳感器來量化質量流量。MEMS熱式氣體質量流量傳感器也在微計量范圍內利用熱原理及其適用于對重量要求較高的領域。

美新公司的技術與產品適用于多種控制系統(tǒng)

美新MEMS技術獨創(chuàng)性的采用了單芯片集成技術，能夠最大限度的承受抗沖擊力和振動，從而大幅提高了傳感器和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。美新加速度計系列產品能夠廣泛用于包括無人機在內的多種領域，包括：汽車安全系統(tǒng)穩(wěn)定性控制和翻轉檢測。美新的加速度計如上文所述，因為沒有移動部件，只移動的“熱氣團”，具有卓越的穩(wěn)定性。

同時，用于測量加速度的技術也可以有效的用于測量氣體流量。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。在氣體檢測有著完美的表現(xiàn)，如燃氣無人機和新型醫(yī)療設備。

美新慣性導航單元（IMUs）系列產品已在在超過100個型號的飛行器中使用。這些通過美國聯(lián)邦航空署（FAA）認證過的器件，在新型飛機的精度定向和農業(yè)無人控制設備中發(fā)揮著越來越重要的作用。美新最新的IMU380系列產品，是專門針對私人飛機、農用無人控制設備設計產品，具有體積小、堅固耐用等特點。

傾角傳感器與陀螺儀補償對工業(yè)和建筑機械水平校準至關重要。這些高精度的傳感器在安全監(jiān)測應用領域發(fā)揮著關鍵作用，包括草坪割草機和摩托車應用中。

電力消費監(jiān)測是另一個非常重要的應用系統(tǒng)，美新電流傳感器提供了良好的過問性能，大幅提高了動態(tài)范圍、分辨率和帶寬。

傳感器在多元化的產品應用中比以往任何時候都顯得重要。在當今的環(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的使用。

關于美新

總部位于美國馬薩諸塞州安多弗的美新公司，是一家專注于MEMS傳感器和傳感系統(tǒng)解決方案的公司。美新是全球僅有的同時具備MEMS傳感器和傳感系統(tǒng)集成技術的公司。產品包括集成了混合信號處理電路的MEMS加速度傳感器、磁傳感器、電子指南針、MEMS流量傳感器及系統(tǒng)和電流傳感器等。產品擁有廣泛的市場和應用，包括航空電子設備、醫(yī)療設備、高精度工業(yè)設備、汽車安全模塊、移動電話和消費類電子等領域。