传感器在无人机创新中的关键作用

作者：CHRIS WINKLER， 美新公司高级营销经理

在当今快速增长的无人机细分市场中，传感器技术通常是内部不为人知的秘密武器。在本文中，我们将讨论无人机的现状以及赋予它们能力的传感器技术。

工业无人机是一个大幅增长的行业。市场研究公司 Tractica 估计，到 2025 年，全球商用无人机的年出货量将从目前的 80,000 台增加到约 270 万台。这些无人机提供的服务可以产生 82 亿美元的年收入。

无人机依赖的传感器鉴于无人机目前的增长趋势，使它们工作的底层传感器技术是什么？无人机运行的关键传感器是加速度计、惯性测量单元（IMU）、倾斜传感器、电流传感器和发动机进气流量传感器（图 1）。虽然不是必需的，但今天的许多无人机也使用图像传感器来提供无人机飞行路径的视频。现在，让我们检查一下关键传感器及其功能。

图 1 – 说明：美新传感器技术在现代无人机技术和解决方案中以多种方式使用。

加速度计——加速度计用于确定无人机在飞行中的位置和方向。就像您的 Nintendo Wii 控制器或您的 iPhone 屏幕位置一样，这些基于硅的小型传感器在维持飞行控制方面发挥着关键作用。MEMS 加速度计以多种方式感知运动。一种技术可以感知嵌入小型集成电路的极小结构的微动。这些小型“跳水板”的运动改变了通过结构的电流量，表明位置相对于重力的变化。加速度计中使用的另一种技术是热传感，它具有几个明显的优势。它没有移动部件，而是感应通过小型集成电路的气体分子运动的变化。由于这些传感器的灵敏度，它们在稳定车载摄像机方面发挥着作用，这对于电影制作等应用至关重要。通过控制上下移动以及消除抖动和振动，电影制作人能够捕捉到极其流畅的视频。此外，由于这些传感器比其他技术更能抵抗振动，因此热 MEMS 传感器非常适合无人机应用，以最大限度地减少由旋转推进风扇/螺旋桨运动产生的振动增加所带来的问题。

IMU— 结合 GPS，惯性测量单元 (IMU) 对于保持方向和飞行路径至关重要。随着无人机变得更加自主，这些对于保持遵守飞行规则和空中交通管制至关重要。IMU 单元使用多轴磁力计，本质上是小型、精确的指南针。这些感知方向的变化并将数据输入中央处理器，最终指示方向、方向和速度。

倾斜传感器——倾斜传感器与陀螺仪和加速度计相结合，为飞行控制系统提供输入，以保持水平飞行。这对于从监控到交付易碎货物的稳定性至关重要的应用来说非常重要。这些类型的传感器将加速度计与陀螺仪结合在一起，可以检测运动的微小变化。正是陀螺仪补偿使这些倾斜传感器能够用于机动车辆或无人机等移动应用。

电流传感器——在无人机中，功耗和使用很重要，尤其是那些电池供电的。电流传感器可用于监控和优化功耗、内部电池的安全充电，以及检测电机或系统其他区域的故障情况。电流传感器通过测量电流（双向）工作，理想情况下提供电气隔离以减少功率损耗并消除触电或对用户或系统造成损坏的机会。具有快速响应时间和高精度的传感器优化了无人机的电池寿命和性能。

磁传感器——在无人机中，电子罗盘为惯性导航和制导系统提供关键的方向信息。各向异性磁阻 (AMR) 坡莫合金技术传感器具有卓越的精度和响应时间特性，同时比替代技术消耗的功率显着减少，非常适合无人机应用。交钥匙解决方案以非常坚固和紧凑的封装为无人机制造商提供高质量的数据传感。

发动机进气流量传感器——流量传感器可用于有效监测流入小型燃气发动机的空气流量，这些发动机用于为某些无人机提供动力。这些有助于发动机 CPU 在指定的发动机转速下确定适当的燃油空气比，从而提高功率和效率，并减少排放。许多燃气发动机质量流量传感器采用量热原理，利用加热元件和至少一个温度传感器来量化质量流量。MEMS 热质量空气流量传感器也利用量热原理，但在微尺度上，使其非常适用于重量减轻至关重要的应用。

让无人机发挥作用过去，无人机技术的创新主要集中在军事应用上。然而，最近这一趋势开始转向商业市场。预计增长的重要垂直行业包括货物运输和交付、监测和调查、保护和动物权利、执法、商业电影制作、农业和医疗保健。

货物运输和交付— 无人机可用于在偏远地区或通过传统方式不易到达的地区运送药品和小型实用物品。他们还可以在向受灾地区运送物资方面发挥作用，例如那些经历过地震、洪水和疾病爆发的地区。对于商业交付，亚马逊和谷歌也在 2013 年宣布，他们计划使用无人机作为其交付服务的一部分，以便在几个小时内将订单交付给客户。一个关键的障碍是 FAA 的飞行规则。尽管无人机目前仅限于运营商的现场线，但 FAA 规则的进一步修改可能允许开始超视距交付。FAA 目前有一个由 27 家公司和行业协会组成的委员会，目前正在根据无人机尺寸和人的飞行路径调查和推荐商用无人机的飞行规则。我们预计将继续专注于定义测试和飞行规则，最终目标是让自主无人机成为日常商业的一部分。

监测和测量——测量和监测也是一个显着增长的部门。一些例子包括地磁测量，可用于预测矿藏位置、天然气和石油管道监测、灾区检查以及野火探测和预防。其他用途包括调查和数据收集，例如考古学。考古学家可以使用无人机技术创建遗址的三维模型，这可以为研究人员节省数月的时间。

保护和动物权利——保护组织和动物权利组织正在使用无人机来遏制虐待行为，取得了良好的效果。例如，世界自然基金会 (WWF) 于 2012 年开始使用无人机帮助尼泊尔的保护工作。它们被用来监测犀牛、老虎、大象和鹿的数量。世界自然基金会还与纳米比亚政府合作，使用无人机帮助减少犀牛偷猎。Sea Shepherd 等反捕鲸活动人士使用无人机监视日本捕鲸船。

执法——在过去的几年里，许多国家的警察都使用无人机监视嫌疑人和公共场所。无人机可能配备非致命工具，例如泰瑟枪，以识别罪犯并协助逮捕。这方面的一个例子正在北达科他州进行测试，配备泰瑟枪的无人机被称为“捕食者”。其他无人机配备传感器以识别化学、生物、放射性和/或核材料。

商业电影制作——媒体和电影制作人利用无人机拍摄图像和视频，否则这些图像和视频将由直升机或昂贵的起重机设备拍摄。无人机显着降低了成本，并且还可以通过更加灵活和机动性来改进流程，为导演提供更大的灵活性来获得正确的镜头。无人机还用于捕捉体育赛事，以动态、近距离地观察运动员或正在进行的比赛。这些无人机捕捉到快速移动的运动员之前或之后的动态图像的兴奋。加速度计传感器与无人机的制导系统配合使用，使之成为可能。用于电影制作的商用无人机的一个例子是 DJI 的 Phantom 3，它被广泛用于电影制作，价格仅为 999 美元，是市场上成本较低的无人机之一。最近，GoPro 宣布将投资一架无人机，该无人机使用其摄像头进行视频录制。

农业——在过去几年中，无人机在农业中的使用大幅增加。农民使用无人机监测和改善作物健康和灌溉、牲畜位置和凝视模式。鉴于应对严重干旱等问题，无人机作为农业的有用工具将变得越来越重要。根据美银美林的全球研究报告，2015 年至 2025 年间，农业无人机市场有潜力在美国创造超过 100,000 个工作岗位和 820 亿美元的经济活动。

医疗保健——无人机在医疗保健中的使用也受到关注。小型无人机可以在医疗设施内使用，以高效、自主地将药物运送到患者床边。它们还可用于运送关键物品，例如用于分析的血液和医疗用品。救护无人机也在进行测试。这些无人机可用于提供自动体外除颤器，提高心脏骤停病例的存活率。原型由荷兰代尔夫特大学构思和开发。

用于复杂系统的技术套件美新公司总部位于马萨诸塞州安多弗，提供基于微机电系统 (MEMS) 技术和 IC 级和模块级复杂集成技术的先进半导体传感器和多传感器系统解决方案。美新独特的专有方法将磁传感器、加速度计、流量传感器和电流传感器等前沿传感器技术与混合信号处理电路相结合，为手机、汽车、消费电子、工业、医疗和通用航空市场。

美新的MEMS技术是独一无二的，它将坚固的硅晶片制造与集成电路技术结合在一个芯片上。这增加了传感器和系统的稳健性，同时提供了对高 g 力和振动的最大耐受性。

致谢我们要感谢东北大学研究生 Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin 和 Ke Xuan 以及 Tucker Marion 副教授参与收集本文的市场研究。

审核编辑 黄昊宇