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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 (UAV) 開發(fā)從壓力到振動、位置傳感器時所面臨的各種挑戰(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 (UAV) 正在開發(fā)之中。 從跟蹤澳大利亞叢林火災，到監(jiān)視美國交通路況，這些無人機使得大多數(shù)最新傳感器技術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，而激光光譜技術又可用于監(jiān)視大氣污染情況。
通過增加無人機的移動靈活性以及更快的響應時間，采用機載傳感器能夠顯著提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。 此外，再加上由遙控飛機過渡到需要慣性導航傳感器的自主系統(tǒng)，從而將加速計、磁力儀和 GPS 系統(tǒng)融合在一起。 所有這些都需要更多地關注在重量和動力方面極受限制的航空應用中的傳感器系統(tǒng)集成。
改變傳感器架構可將控制傳感器完全取消，進而顯著縮小 UAV 體積。 這將創(chuàng)造出一類全新的超小型 UAV。
同時，研究人員正在利用手持式 UAV 開發(fā)并測試其傳感器系統(tǒng)。 針對交通擁擠、安全和環(huán)境影響研究的 Phastball-0 無人機已在美國西佛吉尼亞大學 (WVU) 開發(fā)成功。 這款手動發(fā)射式 UAV 翼展 96 英寸，起飛重量 21 磅，含 7 磅遠程檢測有效載荷。 這款飛行器在 9 信道 R/C 無線系統(tǒng)遙控下飛行，并由一對無刷電動涵道風扇提供動力。 采用電動推進系統(tǒng)能簡化飛行操作，減少在機載傳感器上產(chǎn)生的振動。
遠程檢測有效載荷系統(tǒng)包括一個高清數(shù)碼相機、GPS 接收器、低成本慣性導航系統(tǒng) (INS)、400 碼下視型激光測距儀、飛行數(shù)據(jù)記錄儀、攝像機和無線視頻傳輸系統(tǒng)。
德國法蘭克福 Goethe 大學的研究人員正在使用 UAV 彌補衛(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，并在不同范圍、不同飛行高度下對不同的研究地點進行調(diào)查，以獲取具有極高分辨率、特定地點數(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，但無人機本身也需要監(jiān)視。 內(nèi)部傳感器是 UAV 系統(tǒng)開發(fā)的關鍵部分，可以確保飛行器安全、正常地工作，此處的傳感器如 應變儀用于監(jiān)視機身情況，避免飛行中出現(xiàn)問題。 實現(xiàn)這些功能需要連接 ADC 數(shù)據(jù)轉換器，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)進行分析或傳回地面，用于監(jiān)視 UAV 性能。
因為不是人工輸入，有關 UAV 的數(shù)據(jù)收集和處理能力就變得至關重要，且由于重量和尺寸限制，實現(xiàn)這一功能是設計人員面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
為傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡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）開發(fā)的 2.5 m 長 Green Falcon 無人機采用二十八塊單晶體太陽能電池供電。 這些電池能為機載像機和傳感器產(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 無人機長 15.5 米（54 英尺），有效載荷 32 公斤（70 磅）。 這款無人機采用了 3000 塊太陽能電池，分別分布在上機翼、升降舵和水平尾翼上，可提供高達 7 kW 的電力，并將多余部分存儲在機翼中的鋰離子電池中。 這樣充足的電力能讓這款無人機象一個機載監(jiān)視站一樣，以 65 mph 的速度在 20 公里（65,000 英尺）的高空巡航達五年時間。 這款無人機的大型版本為 Solara 60，翼展 60 米（197 英尺），載荷達 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數(shù)據(jù)。
同樣地，美國明尼蘇達大學的 UAV 研究團隊正在利用如 Ultra Stick 120 等業(yè)余型遙控飛機開發(fā)一種低成本、開源、小型 UAV 飛行研究設施。 這樣做得目的是支持系內(nèi)的研究活動，其中包括控制、導航和制導算法、嵌入式故障檢測方法和系統(tǒng)識別工具。
該研究團隊選用了具有三種規(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 慣性測量系統(tǒng)。
該團隊將 16 位分辨率 Semtech SX8724C 縮放式 ADC 用作連接 Honeywell 壓力傳感器的主 ADC。 這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 Semtech 的低功耗縮放式 ADC 技術，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，能夠適應多個傳感器系統(tǒng)。 其數(shù)字輸出用于對傳感元件進行偏置或者復位。 數(shù)據(jù)采集鏈由一個輸入多路復用器、三個可編程增益放大器和一個過采樣 A/D 轉換器組成。 基準電壓可在兩個不同的通道上選取，并利用兩個失調(diào)補償放大器實現(xiàn)很寬的失調(diào)補償范圍。 可編程增益和失調(diào)允許應用將基準電壓確定的輸入范圍中的一小部分放大。
八輸入多路復用器用于選擇模擬輸入，而基準輸入則在兩個不同的通道間選擇。 然而，由于輸入放大器始終在差模方式下運行，且采用由多路復用器選擇的正輸入和負輸入，因此在單端配置中僅有七個采集通道可用（含 VREF）。
縮放部分的核心是三個可編程差分放大器 (PGA)。 選定由一個輸入、基準信號 VIN 和 VREF 形成的組合后，輸入電壓將經(jīng)過 1 至 3 級調(diào)制和放大。 達到 1000 V/V 的可編程微調(diào)增益與傳感器分辨率匹配。 最后兩級提供可編程失調(diào)，并在需要時旁路掉每個放大器。 然后，PGA 級聯(lián)的輸出被直接發(fā)送至模數(shù)轉換器 (ADC)，將信號轉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、加速計和磁力儀的完整慣性系統(tǒng)。 該系統(tǒng)將 iMEMS 微加工技術與可優(yōu)化動態(tài)性能的信號調(diào)節(jié)功能相結合。 CMOS 技術用來減小傳感器尺寸和成本，并降低功耗。 每個傳感器在出廠前均針對靈敏度、偏置、對準和線性加速度（陀螺儀偏置）進行了特征化，以應對陀螺儀的偏置現(xiàn)象。 因此，每個傳感器都有自己的校正公式動態(tài)補償功能，該公式有助于在 40°C 至 +85°C 范圍進行精確測量。 磁力儀具有自校正功能，以便在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)準確的偏置性能。 解決 UAV 傳感器的溫度變化問題，是確保所接收數(shù)據(jù)準確、有用的關鍵。
Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor
圖 4：Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 的框圖。
與分立設計相比，ADIS16445 是一種簡單方便、經(jīng)濟高效的方法，適用于集成準確的多軸慣性檢測功能。 工廠生產(chǎn)過程包含了測試、校準過程，因而將系統(tǒng)集成時間縮短至最少；在導航系統(tǒng)中，嚴格的正交對準又簡化了慣性坐標系的對準。 改進型串行外設接口 (SPI) 和寄存器結構可實現(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寄存器映射方式，即可完成 ADIS16400 升級。
盡管ADIS16400 能獨立生成數(shù)據(jù)，但還可用作與系統(tǒng)（主機）處理器通信的 SPI 從設備。 SPI 在全雙工模式下運行，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)送下一個目標地址。
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。
在穿過對有人機來說是太過危險的區(qū)域時，無人機尤其有用。 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，利用絕對壓力傳感器測 量風速和氣壓降。 這款 UAV 由澳大利亞制造，能夠向位于佛羅里達州的國家颶風中心直接發(fā)送近實時的數(shù)據(jù)。 除了標準氣壓和溫度讀數(shù)外，這款無人機還能在比以前系統(tǒng)提供更接近水面的測量值。 英國的 UAV 制造商 UAVSI 也有其 Vigilant 20 kg 系統(tǒng)版本，且該機經(jīng)過特殊設計，可用于在諸如南極等惡劣氣候條件下進行科學研究。
傳感器架構已變得越來越重要，無論是 UAV 機載傳感器還是地面?zhèn)鞲衅�，在設計中都舉足輕重。 雖然這聽起來可能奇怪，但 US DARPA 研究機構已就自適應式 ADAPT 傳感器系統(tǒng)與有經(jīng)驗的移動應用開發(fā)商展開協(xié)作。 這是一個能在不同設置中使用的靈活傳感器結構，但會利用定制版 Android 操作系統(tǒng)將重點放在智能、監(jiān)控和偵察 (ISR) 設計方面。
在DAEPA 測試中，簡單的四軸飛行器采用 ADAPT 傳感器自動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) 將飛行指令轉發(fā)至 UAV，因此允許“直升機”變得更小。 DARPA 認為，ADAPT 可在軍事領域領導更快、更有效的技術開發(fā)，但在某些方面，傳感器也能在消費類電子產(chǎn)品中發(fā)揮各種作用，如 Bitcraze 的 Crazyflie。 這是一款按照不同機載傳感器分為兩個版本的 9 cm x 9 cm 四軸飛行器，其重量僅 19 g。 這款飛行器的飛行時間長達七分鐘，通過標準 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
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、攝像機，甚至還有激光光譜系統(tǒng)正運用到 UAV 中，以擴大測量范圍。 然而，UAV 本身的控制也需要傳感器。 更復雜的慣性測量和 GPS 跟蹤系統(tǒng)采用最新的硅晶技術，減少了電力需求和重量。 對于在 UAV 系統(tǒng)中有效工作的堅固型加速計，微加工傳感器會讓其具有高度集成的數(shù)據(jù)處理能力，從而進一步減小功耗和尺寸。
通過從不同的方面考慮傳感器架構，UAV 的體積會顯著變小并找到各種不同的新用途。
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