自动控制/感测融合再升级 无人机飞向专业多样化

自动控制/感测融合再升级

- 无人机飞向专业多样化

作者：新唐科技股份有限公司 物联网技术发展处技术督导 郭子仁

无人机的风行缘起于以空拍为主要用途的四轴飞行器，随之发展出各种创新应用，如：送货无人机、作战无人机与载客无人机等，引发了各界对于无人机未来应用的憧憬；2016年「双11」大陆购物季开打，京东以无人机送货为宣传重点，宣称可以以无人机送货解决广大农村最后一公里的配送难题。中科院最新宣布已将目前的长航程、大型无人机「腾云机」，发展成具备「电子侦搜及干扰」作战功能的无人电战机。杜拜将在今年推出「EHang 184」载客无人机，能够承受一名体重100公斤以下的乘客，同时乘客还可以把小手提箱放在隔间里。

另外近年来Amazon、Walmart、UPS、FedEx、乐天、淘宝网等物流及零售业者亦纷纷投入无人机进行商业用途测试，据Gartner 最新预测­—2017年个人与商用无人机的市场规模将高达60亿美元，三年后更将成长到112亿美元，且出货量将达3百万架，因此，无人机已被视为未来的明星产业。

l 无人机分类与应用

若以功能进行分类，无人机可分为四大种类：

表一：无人机的分类与应用

依据应用的不同，无人机的续航力、性能及配备也会有所不同。此波无人机市场中最受瞩目的当属商用类无人机市场，商用机不再仅是单纯的无人空拍器，而是能执行农业植保、管线巡检、警用巡视、防灾救灾、搜寻救援、环境监测及娱乐广告等任务的飞行机器人；最近已有美国无人机业者利用无人机搭载4G LTE设备，成功利用无人机提供网路讯号，暂代因灾受损的基地台；而商用无人机也被广泛应用在动物监测上，澳洲农场以及泰国国家公园，以无人机代替人类巡逻，可充分掌握野生动物行踪，同时预防农损以及打击秘密猎捕，可有效地减少人员与动物的伤亡；亦有国内厂商引进生技公司的生物防治技术，结合无人机创新应用投入政府对抗登革热的防疫大计。这些持续增加的创新应用，推动了划时代的空中产业革命。

根据法新社近日报导指出，军用无人机市场预估2024年前将近倍增，突破100亿美元。可以说军用无人机的出现已是必然，且未来将不再局限于视觉上的侦察和辨识，各国竞相强化其无人机之匿踪、配备和武器功能，并纳入军队作战系统之中。

l 无人机机型

无人机和飞机一样具有多种机型：

表二：无人机机型

无人机如同载客或载货用飞机之组成，硬体部分包含电池、引擎、材料、微机电、感测器、嵌入式系统等多种零组件；软体部分则利用到人工智慧、资料分析处等技术。所以开发厂商唯有在创新应用之中，加强领域专门技术，才能超越竞争者，赢得市场。

l 专业技术－建立竞争门槛

商用无人机竞争激烈，唯有发展专业技术，建立竞争门槛，才能避免沦为价格厮杀，以下为数创新应用案例分享：

电力巡检无人机：因高压输电线周围存在很强的电磁场，无人机上的陀螺仪、电子罗盘等感测器又容易被电磁干扰而失去精准度，所以此类无人机需要设计较强的抗电磁干扰能力，同时根据作业需求还需配备足够的电池容量或燃料以满足巡检行业较常操作时间的需求。

娱乐广告无人机：根据金氏世界纪录，「最多无人机同时飞行」的世界纪录曾由 Intel 持有，数量达 500 台之多，以无人机搭配交响乐成为耳目一新的空中萤光秀。而今年广州亿航更完成了一千台无人机编队进行广州元宵晚会的商演。

另以经纬航太为例，该厂商成功研发碳纤复合材料之无人机机体，并整合地面导控站，发展飞控电脑及定位定向系统，让无人机的技术能力向上提升一个等级。而经纬航太更引进生物防治技术，将无人机用于释放雄性公蚊，利用红色萤光蛋白基因来追踪监测疫情抑制成果，再据以评估下次释放公蚊数量。联合国病媒控制委员会已经证实并认定此一技术在健康及环境上不会造成威胁，并已经在多国取得执照且实际使用，实证结果也显示具减少90%病媒蚊的卓著成效。

l 专业技术－感测器融合算法解析

厂商除发展专业应用领域外，亦可发展自有专业技术，无人机自动控制与感测器演算法，需要融合加速器、陀螺仪、电子罗盘、气压感测、超音波及光流等感测器融合技术，此乃国内微控制器厂商的专长之一，可协助国内无人机厂商快速建立技术门槛。

以微控制器厂商－新唐科技为例，其提供多感测器融合的函式库与图形化工具，帮助客户快速上手进行系统校正。其姿态感测融合算法的函式库可提供每小时小于15度且具温度补偿的零点飘移，更新率达1 kHz以上(1ms回算一次)，水准误差小于1度，方位误差小于1.5度，单晶片并可支援两组感测器运算，也支持使用者自选感测器，不受限于选择特定型的感测器。感测器融合算法架构图如下：

图一：感测器融合算法架构图

在常见的感测器误差问题中，与加速度计相关的问题是感测器与电路板不平行，在高角度(60 至 90 度)的感测精度下降；与陀螺仪相关的则是平转的零点角度飘移，温度造成的随机误差；与电子罗盘相关的是磁场扭曲 (Soft Iron) 及磁场偏移 (Hard Iron)；要解决以上的问题，皆需通过演算法不断地进行补偿或校正。相关的校正有加速度计的快速 Z 校正，全面校正 (6 个方向)，1 度的精确度计算；陀螺仪校正的陀螺仪中心校准 (drift cancel)，陀螺仪比例校准，陀螺仪飘移需小于15 度/每小时；罗盘校正的3轴全回转，软磁干扰与硬磁干扰消除，及1.5 度的精确度计算。

而电机控制方面，需要采用PID算法控制，微控制器厂商亦提供了调测工具：

图二：新唐调测工具

如采用专业的姿态运算资料库，将可提高系统高精准度姿态量测，轻松融合10轴感测器以达到快速的姿态更新率 (1000 Hz以上)，取得稳定的PID控制系统和完整的电脑端应用介面，以顺利达成系统量产之工程需求。

新唐科技提供的解决方案与专业的函式库、开发概念原型机所需的飞控板和简易遥控器以及完整的开放源程式范例，可协助业者快速完成产品概念设计，建立自有的专有技术，达成量产目标。

在这个快速创新的时代，唯有善用既有设计解决方案，快速整合产业链中各厂商优势设计，才可即时因应市场所需，随时满足市场上对于无人机之创新应用与服务需求。