如今，無(wú)人機已經(jīng)廣泛應用于氣象監測、國土資源執法、環(huán)境保護、遙感航拍、抗震救災、快遞運送等領(lǐng)域。 隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)人機對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用不斷增加，為了能更好的控制無(wú)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(wú)人機稱(chēng)為一架會(huì )飛行的“傳感器”。那么，無(wú)人機能在天上實(shí)現穩定的飛行，完成不同的動(dòng)作，需要用到哪些傳感器呢?

無(wú)人機的特性

無(wú)人機的動(dòng)作必須非常精 確，除了穩定，還要能到飛行到預期的高度并有效進(jìn)行溝通。因此，一臺zui基本的無(wú)人機必須具備以下特性：

穩定：無(wú)人機應該要穩定，不可無(wú)預警突然震動(dòng)、搖晃或傾斜，否則就會(huì )失去平衡并墜毀。

精 確：無(wú)人機的動(dòng)作要非常精 確。至于動(dòng)作可能指距離、速度、加速、方向與高度。能抵抗各種環(huán)境條件：無(wú)人機要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環(huán)境狀況。而且不止外部材質(zhì)，無(wú)人機內部所使用的電子零件也要如此。

低功耗：無(wú)人機將會(huì )變得越來(lái)越輕，因此如何確保超低功耗以盡量縮小電池尺寸就顯得尤為重要。低功耗技術(shù)的崛起，已使得無(wú)人機技術(shù)得以普及化。

環(huán)境感知：環(huán)境傳感技術(shù)逐漸崛起，成為無(wú)人機zui關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域之一?，F在的無(wú)人機都具備好幾種傳感器以監測環(huán)境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象監測、農業(yè)等用途。

聯(lián)網(wǎng)功能：聯(lián)網(wǎng)功能是無(wú)人機崛起并廣為市場(chǎng)接受的重要因素。無(wú)人機可通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機、遙控器或直接通過(guò)云端加以控制。應根據不同使用案例，提供適合的聯(lián)網(wǎng)功能解決方案。有的無(wú)人機會(huì )采用多種聯(lián)網(wǎng)功能解決方案，以滿(mǎn)足多用途使用案例的需求。

飛行控制器

飛行控制器（FC）相當于無(wú)人機的大腦，如果放在電腦以及手機上來(lái)說(shuō)就相當于操作系統。飛行控制器通過(guò)無(wú)人機上搭載的各類(lèi)傳感器獲得數據，對這些數據進(jìn)行演算處理從而控制機體的飛行。除此之外，飛行控制器也承擔信息傳遞的職責。

飛行控制器內部主要由兩大部分構成——IMU（慣性檢測裝置）和CPS模塊?？梢哉f(shuō)無(wú)人機的飛行性能的高與低，就取決于這個(gè)飛行控制器。無(wú)人機平穩飛行不可缺少的飛行控制器中的內部傳感器（IMU）。IMU指的是慣性測量單元，大多用在需要進(jìn)行運動(dòng)控制的設備，如汽車(chē)和機器人，也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合。一般來(lái)說(shuō)IMU就包含了加速度傳感器和陀螺儀。

無(wú)人機上的傳感器

IMU位于無(wú)人機的核心位置，可確保裝置功能與導航正常運作。 這些傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁羅盤(pán)與氣壓傳感器。

01

加速度計

加速度計是用來(lái)提供無(wú)人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無(wú)人機在靜止狀態(tài)時(shí)的傾斜角度。當無(wú)人機呈現水平靜止狀態(tài)，X軸與Y軸為0G輸出，而Z軸則為1G輸出。地球上所有對象所承受的重力均為1G。若要無(wú)人機X軸旋轉90度，那么就在X軸與Z軸施以0G輸出，Y軸則施以1G輸出。傾斜時(shí)，XYZ軸均施以0到1G之間的輸出。相關(guān)數值便可應用于三角公式，讓無(wú)人機達到特定傾斜角度。

加速度計同時(shí)也用來(lái)提供水平及垂直方向的線(xiàn)性加速。相關(guān)數據可做為計算速率、方向，甚至是無(wú)人機高度的變化率。 加速度計還可以用來(lái)監測無(wú)人機所承受的震動(dòng)。

對于任何一款無(wú)人機來(lái)說(shuō)，加速度計都是一個(gè)非常重要的傳感器，因為即使無(wú)人機處于靜止狀態(tài)，都要靠它提供關(guān)鍵輸入。

02

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(shí)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(lái)維持無(wú)人機穩定并防止晃動(dòng)。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅動(dòng)器，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩定度。 陀螺儀還能確保無(wú)人機根據用戶(hù)控制裝置所設定的角度旋轉。

03

磁羅盤(pán)

正如名稱(chēng)所示，磁羅盤(pán)能為無(wú)人機提供方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場(chǎng)的數據。接著(zhù)相關(guān)數據會(huì )匯入微控制器的運算法，以提供磁北極相關(guān)的航向角，然后就能用這些信息來(lái)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(pán)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(zhì)。它能使羅盤(pán)讀數產(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(xiàn)等。它能讓傳感器讀數產(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(guò)濾掉這些異常狀況。 這時(shí)候zui重要的是讓用戶(hù)不必費力，運算法就能快速進(jìn)行校正。

除了方向的感測，磁性傳感器也可以用來(lái)偵測四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線(xiàn)、車(chē)輛、其他無(wú)人機等等，以避免事故發(fā)生。

04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(xié)助無(wú)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(wú)人機飛行控制來(lái)說(shuō)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(mǎn)足預測高度時(shí)的需求。

05

超聲波傳感器

無(wú)人機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(guò)近地面的時(shí)候，利用氣壓傳感器是無(wú)法應對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠實(shí)現高度控制。這樣一來(lái)氣壓傳感器同超聲波傳感器一結合，就可以實(shí)現無(wú)人機無(wú)論是在高空還是低空都能夠平穩飛行。

06

GPS

如同汽車(chē)有導航系統一般，無(wú)人機也有導航系統。通過(guò)GPS，才可能知道無(wú)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(guò)zui近的無(wú)人機開(kāi)始不單單采用GPS了，有些機型會(huì )同時(shí)利用GPS與其他的衛星導航系統相結合，同時(shí)接收多種信號，檢測無(wú)人機位置。無(wú)論是設定經(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(guò)由于衛星自己會(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信號的情況。這一點(diǎn)是值得注意的。

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

07

特定應用傳感器

這類(lèi)傳感器并不影響無(wú)人機的核心功能運作，但越來(lái)越常被用在無(wú)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(guān)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(fēng)：MEMS麥克風(fēng)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(fēng)正逐漸取代傳統麥克風(fēng)，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(dòng)時(shí)也更加穩健。這類(lèi)傳感器可用在無(wú)人機的影片拍攝、監控、間諜行動(dòng)等應用。

傳感器數據的運算和傳輸

要將原始的傳感器數據轉換成有意義的使用案例，軟件數據庫扮演了相當重要的角色。 算法可擴大傳感器功能，使其超越原本已知范圍。運算法還能結合來(lái)自不同傳感器的輸入，產(chǎn)生具備情境感知特色的輸出。

加速度計、陀螺儀與磁羅盤(pán)這三種動(dòng)作傳感器各有不同優(yōu)缺點(diǎn)。傳感器的限制包括校正不夠完 美，也會(huì )因為時(shí)間、溫度與隨機噪音而產(chǎn)生漂移。磁力計與加速度計容易失真，陀螺儀則是原本就會(huì )出現漂移現象。 我們可利用傳感器融合數據庫來(lái)相互校正這些傳感器，以打造在所有情境下都能得到正確結果的條件。它不只能提供校正過(guò)的傳感器輸出，還有角度與航向角的信息，以及四元數角度。

用戶(hù)也可以透過(guò)一份簡(jiǎn)單的計算機授權協(xié)議，存取各種先進(jìn)數據庫。一旦經(jīng)過(guò)平臺測試，設計人員就能開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)用的印刷電路板，并加載他們在平臺上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在想要測試專(zhuān)用電路板時(shí)，才必須簽署數據庫的生產(chǎn)授權。

無(wú)人機的聯(lián)網(wǎng)

無(wú)人機有各種不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選項可考慮。 低功耗藍牙（BLE）與Wi-Fi多半用于智能手機聯(lián)網(wǎng)，Sub-1GHz則是用在遠程控制器，能提供更遠距離的聯(lián)網(wǎng)功能。