作者：CHRIS WINKLER，?美新公司高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理

在當(dāng)今快速增長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)細(xì)分市場(chǎng)中，傳感器技術(shù)通常是內(nèi)部不為人知的秘密武器。在本文中，我們將討論無(wú)人機(jī)的現(xiàn)狀以及賦予它們能力的傳感器技術(shù)。

工業(yè)無(wú)人機(jī)是一個(gè)大幅增長(zhǎng)的行業(yè)。市場(chǎng)研究公司 Tractica 估計(jì)，到 2025 年，全球商用無(wú)人機(jī)的年出貨量將從目前的 80,000 臺(tái)增加到約 270 萬(wàn)臺(tái)。這些無(wú)人機(jī)提供的服務(wù)可以產(chǎn)生 82 億美元的年收入。

無(wú)人機(jī)依賴的傳感器鑒于無(wú)人機(jī)目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，使它們工作的底層傳感器技術(shù)是什么？無(wú)人機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵傳感器是加速度計(jì)、慣性測(cè)量單元（IMU）、傾斜傳感器、電流傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器（圖 1）。雖然不是必需的，但今天的許多無(wú)人機(jī)也使用圖像傳感器來(lái)提供無(wú)人機(jī)飛行路徑的視頻。現(xiàn)在，讓我們檢查一下關(guān)鍵傳感器及其功能。

圖 1 – 說(shuō)明：美新傳感器技術(shù)在現(xiàn)代無(wú)人機(jī)技術(shù)和解決方案中以多種方式使用。

加速度計(jì)——加速度計(jì)用于確定無(wú)人機(jī)在飛行中的位置和方向。就像您的 Nintendo Wii 控制器或您的 iPhone 屏幕位置一樣，這些基于硅的小型傳感器在維持飛行控制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。MEMS 加速度計(jì)以多種方式感知運(yùn)動(dòng)。一種技術(shù)可以感知嵌入小型集成電路的極小結(jié)構(gòu)的微動(dòng)。這些小型“跳水板”的運(yùn)動(dòng)改變了通過(guò)結(jié)構(gòu)的電流量，表明位置相對(duì)于重力的變化。加速度計(jì)中使用的另一種技術(shù)是熱傳感，它具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。它沒(méi)有移動(dòng)部件，而是感應(yīng)通過(guò)小型集成電路的氣體分子運(yùn)動(dòng)的變化。由于這些傳感器的靈敏度，它們?cè)诜€(wěn)定車載攝像機(jī)方面發(fā)揮著作用，這對(duì)于電影制作等應(yīng)用至關(guān)重要。通過(guò)控制上下移動(dòng)以及消除抖動(dòng)和振動(dòng)，電影制作人能夠捕捉到極其流暢的視頻。此外，由于這些傳感器比其他技術(shù)更能抵抗振動(dòng)，因此熱 MEMS 傳感器非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用，以最大限度地減少由旋轉(zhuǎn)推進(jìn)風(fēng)扇/螺旋槳運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)增加所帶來(lái)的問(wèn)題。

IMU— 結(jié)合 GPS，慣性測(cè)量單元 (IMU) 對(duì)于保持方向和飛行路徑至關(guān)重要。隨著無(wú)人機(jī)變得更加自主，這些對(duì)于保持遵守飛行規(guī)則和空中交通管制至關(guān)重要。IMU 單元使用多軸磁力計(jì)，本質(zhì)上是小型、精確的指南針。這些感知方向的變化并將數(shù)據(jù)輸入中央處理器，最終指示方向、方向和速度。

傾斜傳感器——傾斜傳感器與陀螺儀和加速度計(jì)相結(jié)合，為飛行控制系統(tǒng)提供輸入，以保持水平飛行。這對(duì)于從監(jiān)控到交付易碎貨物的穩(wěn)定性至關(guān)重要的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要。這些類型的傳感器將加速度計(jì)與陀螺儀結(jié)合在一起，可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的微小變化。正是陀螺儀補(bǔ)償使這些傾斜傳感器能夠用于機(jī)動(dòng)車輛或無(wú)人機(jī)等移動(dòng)應(yīng)用。

電流傳感器——在無(wú)人機(jī)中，功耗和使用很重要，尤其是那些電池供電的。電流傳感器可用于監(jiān)控和優(yōu)化功耗、內(nèi)部電池的安全充電，以及檢測(cè)電機(jī)或系統(tǒng)其他區(qū)域的故障情況。電流傳感器通過(guò)測(cè)量電流（雙向）工作，理想情況下提供電氣隔離以減少功率損耗并消除觸電或?qū)τ脩艋蛳到y(tǒng)造成損壞的機(jī)會(huì)。具有快速響應(yīng)時(shí)間和高精度的傳感器優(yōu)化了無(wú)人機(jī)的電池壽命和性能。

磁傳感器——在無(wú)人機(jī)中，電子羅盤為慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)提供關(guān)鍵的方向信息。各向異性磁阻 (AMR) 坡莫合金技術(shù)傳感器具有卓越的精度和響應(yīng)時(shí)間特性，同時(shí)比替代技術(shù)消耗的功率顯著減少，非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用。交鑰匙解決方案以非常堅(jiān)固和緊湊的封裝為無(wú)人機(jī)制造商提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳感。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器——流量傳感器可用于有效監(jiān)測(cè)流入小型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，這些發(fā)動(dòng)機(jī)用于為某些無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力。這些有助于發(fā)動(dòng)機(jī) CPU 在指定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下確定適當(dāng)?shù)娜加涂諝獗?，從而提高功率和效率，并減少排放。許多燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量傳感器采用量熱原理，利用加熱元件和至少一個(gè)溫度傳感器來(lái)量化質(zhì)量流量。MEMS 熱質(zhì)量空氣流量傳感器也利用量熱原理，但在微尺度上，使其非常適用于重量減輕至關(guān)重要的應(yīng)用。

讓無(wú)人機(jī)發(fā)揮作用過(guò)去，無(wú)人機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新主要集中在軍事應(yīng)用上。然而，最近這一趨勢(shì)開始轉(zhuǎn)向商業(yè)市場(chǎng)。預(yù)計(jì)增長(zhǎng)的重要垂直行業(yè)包括貨物運(yùn)輸和交付、監(jiān)測(cè)和調(diào)查、保護(hù)和動(dòng)物權(quán)利、執(zhí)法、商業(yè)電影制作、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健。

貨物運(yùn)輸和交付— 無(wú)人機(jī)可用于在偏遠(yuǎn)地區(qū)或通過(guò)傳統(tǒng)方式不易到達(dá)的地區(qū)運(yùn)送藥品和小型實(shí)用物品。他們還可以在向受災(zāi)地區(qū)運(yùn)送物資方面發(fā)揮作用，例如那些經(jīng)歷過(guò)地震、洪水和疾病爆發(fā)的地區(qū)。對(duì)于商業(yè)交付，亞馬遜和谷歌也在 2013 年宣布，他們計(jì)劃使用無(wú)人機(jī)作為其交付服務(wù)的一部分，以便在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)將訂單交付給客戶。一個(gè)關(guān)鍵的障礙是 FAA 的飛行規(guī)則。盡管無(wú)人機(jī)目前僅限于運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)場(chǎng)線，但 FAA 規(guī)則的進(jìn)一步修改可能允許開始超視距交付。FAA 目前有一個(gè)由 27 家公司和行業(yè)協(xié)會(huì)組成的委員會(huì)，目前正在根據(jù)無(wú)人機(jī)尺寸和人的飛行路徑調(diào)查和推薦商用無(wú)人機(jī)的飛行規(guī)則。我們預(yù)計(jì)將繼續(xù)專注于定義測(cè)試和飛行規(guī)則，最終目標(biāo)是讓自主無(wú)人機(jī)成為日常商業(yè)的一部分。

監(jiān)測(cè)和測(cè)量——測(cè)量和監(jiān)測(cè)也是一個(gè)顯著增長(zhǎng)的部門。一些例子包括地磁測(cè)量，可用于預(yù)測(cè)礦藏位置、天然氣和石油管道監(jiān)測(cè)、災(zāi)區(qū)檢查以及野火探測(cè)和預(yù)防。其他用途包括調(diào)查和數(shù)據(jù)收集，例如考古學(xué)。考古學(xué)家可以使用無(wú)人機(jī)技術(shù)創(chuàng)建遺址的三維模型，這可以為研究人員節(jié)省數(shù)月的時(shí)間。

保護(hù)和動(dòng)物權(quán)利——保護(hù)組織和動(dòng)物權(quán)利組織正在使用無(wú)人機(jī)來(lái)遏制虐待行為，取得了良好的效果。例如，世界自然基金會(huì) (WWF) 于 2012 年開始使用無(wú)人機(jī)幫助尼泊爾的保護(hù)工作。它們被用來(lái)監(jiān)測(cè)犀牛、老虎、大象和鹿的數(shù)量。世界自然基金會(huì)還與納米比亞政府合作，使用無(wú)人機(jī)幫助減少犀牛偷獵。Sea Shepherd 等反捕鯨活動(dòng)人士使用無(wú)人機(jī)監(jiān)視日本捕鯨船。

執(zhí)法——在過(guò)去的幾年里，許多國(guó)家的警察都使用無(wú)人機(jī)監(jiān)視嫌疑人和公共場(chǎng)所。無(wú)人機(jī)可能配備非致命工具，例如泰瑟槍，以識(shí)別罪犯并協(xié)助逮捕。這方面的一個(gè)例子正在北達(dá)科他州進(jìn)行測(cè)試，配備泰瑟槍的無(wú)人機(jī)被稱為“捕食者”。其他無(wú)人機(jī)配備傳感器以識(shí)別化學(xué)、生物、放射性和/或核材料。

商業(yè)電影制作——媒體和電影制作人利用無(wú)人機(jī)拍攝圖像和視頻，否則這些圖像和視頻將由直升機(jī)或昂貴的起重機(jī)設(shè)備拍攝。無(wú)人機(jī)顯著降低了成本，并且還可以通過(guò)更加靈活和機(jī)動(dòng)性來(lái)改進(jìn)流程，為導(dǎo)演提供更大的靈活性來(lái)獲得正確的鏡頭。無(wú)人機(jī)還用于捕捉體育賽事，以動(dòng)態(tài)、近距離地觀察運(yùn)動(dòng)員或正在進(jìn)行的比賽。這些無(wú)人機(jī)捕捉到快速移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員之前或之后的動(dòng)態(tài)圖像的興奮。加速度計(jì)傳感器與無(wú)人機(jī)的制導(dǎo)系統(tǒng)配合使用，使之成為可能。用于電影制作的商用無(wú)人機(jī)的一個(gè)例子是 DJI 的 Phantom 3，它被廣泛用于電影制作，價(jià)格僅為 999 美元，是市場(chǎng)上成本較低的無(wú)人機(jī)之一。最近，GoPro 宣布將投資一架無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)使用其攝像頭進(jìn)行視頻錄制。

農(nóng)業(yè)——在過(guò)去幾年中，無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的使用大幅增加。農(nóng)民使用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)和改善作物健康和灌溉、牲畜位置和凝視模式。鑒于應(yīng)對(duì)嚴(yán)重干旱等問(wèn)題，無(wú)人機(jī)作為農(nóng)業(yè)的有用工具將變得越來(lái)越重要。根據(jù)美銀美林的全球研究報(bào)告，2015 年至 2025 年間，農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)有潛力在美國(guó)創(chuàng)造超過(guò) 100,000 個(gè)工作崗位和 820 億美元的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。

醫(yī)療保健——無(wú)人機(jī)在醫(yī)療保健中的使用也受到關(guān)注。小型無(wú)人機(jī)可以在醫(yī)療設(shè)施內(nèi)使用，以高效、自主地將藥物運(yùn)送到患者床邊。它們還可用于運(yùn)送關(guān)鍵物品，例如用于分析的血液和醫(yī)療用品。救護(hù)無(wú)人機(jī)也在進(jìn)行測(cè)試。這些無(wú)人機(jī)可用于提供自動(dòng)體外除顫器，提高心臟驟停病例的存活率。原型由荷蘭代爾夫特大學(xué)構(gòu)思和開發(fā)。

用于復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)套件美新公司總部位于馬薩諸塞州安多弗，提供基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)和 IC 級(jí)和模塊級(jí)復(fù)雜集成技術(shù)的先進(jìn)半導(dǎo)體傳感器和多傳感器系統(tǒng)解決方案。美新獨(dú)特的專有方法將磁傳感器、加速度計(jì)、流量傳感器和電流傳感器等前沿傳感器技術(shù)與混合信號(hào)處理電路相結(jié)合，為手機(jī)、汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療和通用航空市場(chǎng)。

美新的MEMS技術(shù)是獨(dú)一無(wú)二的，它將堅(jiān)固的硅晶片制造與集成電路技術(shù)結(jié)合在一個(gè)芯片上。這增加了傳感器和系統(tǒng)的穩(wěn)健性，同時(shí)提供了對(duì)高 g 力和振動(dòng)的最大耐受性。

致謝我們要感謝東北大學(xué)研究生 Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin 和 Ke Xuan 以及 Tucker Marion 副教授參與收集本文的市場(chǎng)研究。

審核編輯 黃昊宇