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傳感器解決方案在無人機創新中的關鍵作用_MEMSIC美新

日期：2016/5/19 2:12:07 作者：Chris Winkler，MEMSIC

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。在這篇文章中，我們將重點討論當前無人駕駛飛機和傳感技術的發展情況。

工業無人機是無人機市場中重要的增長產業。根據市場研究公司Tractica預測，到2025年全球商業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將達到82億美元/年。在過去，無人機技術創新主要集中在軍事應用上。然而，最近的重點發展趨勢已逐步向商業市場轉移。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、洪水和疾病爆發的區域。另一方面，無人機也可用于商業快遞。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邦航空局的飛行規則。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，但美國聯邦航空局有望修改規則，允許一部分超出可視范圍的應用。美國聯邦航空局目前有27個企業和貿易協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則，我們期望持續關注定義測試和飛行規則，最終的目標是允許自主無人機成為日常商務的一部分。

監測與測量

監測與測量產業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測、災區檢查和野火檢測和預防。其他應用包括：考古研究和數據收集，考古學家可以使用無人機技術創建三維模型的站點，可以節省研究人員幾個月的時間。

環境與動物保護

環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。海洋守護者協會反捕鯨活動人士則通過無人機監視日本的捕鯨船。

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，實現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，是業界便宜的無人機之一。近期，GoPro已宣布，將投資開發一款專門用于視頻錄制的無人駕駛飛機。

農業

無人機在農業的應用在過去幾年中大幅增加。農民使用無人機監測和提高作物的健康狀態和灌溉系統以及牲畜位置。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產業化的新型生產工具。美國美林銀行全球研究報告顯示，農業無人機的市場潛力，將創造超過10萬個就業崗位，2015-2025年的市場容量將達到820億美元。

醫療健康

無人機在醫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

根據目前的無人機發展趨勢，傳感器技術將會起到什么樣的作用？

加速度計

加速度計用于確定位置和無人機的飛行姿態。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，這些小的硅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，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。

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展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規則。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，通過感知方向將數據傳輸至中央處理器，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提供保持水平飛行的數據。這是在易碎品運輸和投遞過程中最重要的穩定性監測應用程序。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測和優化電能消耗，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據傳感穩定且緊湊的封裝。

發動機進氣流量傳感器

流量傳感器可以用于有效地監測電力無人機燃氣發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的燃料空氣比值，從而改善功率和效率，并減少排放量。許多氣體發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

美新MEMS技術獨創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的穩定性。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：汽車安全系統穩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勢。在氣體檢測有著完美的表現，如燃氣無人機和新型醫療設備。

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。這些通過美國聯邦航空署（FAA）認證過的器件，在新型飛機的精度定向和農業無人控制設備中發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。

傾角傳感器與陀螺補償對工業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測應用領域發揮著關鍵作用，包括草坪割草機和摩托車應用中。

電力消費監測是另一個非常重要的應用系統，美新電流傳感器提供了良好的過問性能，大幅提高了動態范圍、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。在當今的環境中，安全和穩定的操作都在來自于高度精確和可靠的傳感技術的使用。

聲明
感謝美國東北大學研究生Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin、Ke Xuan和副教授Tucker Marion。他們為這篇文章做了大量的市場信息收集和調研。

參考資料
https://www.tractica.com/newsroom/press-releases/commercial-drone-shipments-to-surpass-2-6-m
illion-units-annually-by-2025-according-to-tractica/