适合无人航空系统感测器.docVIP

本文将探讨开发适合无人飞行载具 (UAV) 的感测器系统时所面临的挑战，包括压力、振动和位置的感测。 飞航环境具有多种不同的挑战，包括感测器节点架构、电源和重量管理。 　　 新一代的无人飞行载具 (UAV) 目前正在开发中，可提升多种系统的监测能力。 从追踪澳洲的树丛火灾到监控美国的路况，这些 UAV 在多种用途上将必威体育精装版的感测器技术发挥地淋漓尽致。 例如，红外线相机可在夜晚追踪消失人群，雷射光谱术可用来监控空气污染。 　　 机载感测器提供更高的移动灵活性以及更快的反应时间，能大幅增进撷取数据的品质。 此外从远端操控的飞机迈向自主系统，需要惯性导航感测器，并结合加速计、磁力计以及 GPS 系统。 要达到这些目标，必须更加注重在飞行应用感测器系统的整合，但通常受到电力与重量的严格限制。 　　 改变感测器架构甚至能完全省去控制感测器，让 UAV 的尺寸大幅缩减， 因此能打造全新类型的超小型 UAV。 　　 此外，研究人员更采用手持式 UAV 开发并测试感测器系统。 美国西维吉尼亚大学开发出 Phastball-0，用於研究交通阻塞、安全和环境冲击。 这部从手中发射的 UAV，翼展为 96 英寸，起飞重量为 21 磅，其中包含 7 磅的遥测酬载。 此飞机透过 9 通道 R/C 无线电系统进行远端操控，并以一对无刷电动导管风扇驱动。 采用电动推进系统简化飞航操作，并减少机载感测器的振动。 　　 遥测酬载系统含有高解析度数位静态相机、GPS 接收器、低成本惯性导航系统 (INS)、400 码朝下雷射范围搜寻器、飞航数据记录器、录影机以及无线视讯传输系统。 　　 德国法兰克福大学的研究人员使用 UAV 将卫星影像之间的资料缺口连结，藉此监测摩洛哥的土壤冲蚀状况。 由德国 MAVinci 研发的固定机翼 Sirius I UAV 搭载 Panasonic 数位系统相机，在不同的研究地点以多种范围和飞行高度进行观测，藉此提供指定地点的超高解析度资料以及较低解析度的概览图。 使用 GPA 资料进行影像处理，即可建立数值地形模型 (DTM) 以及超高解析度的影像镶嵌图，以 2D 和 3D 方式对冲蚀情况进行量化。 这也有利於分析周围区域和景观开发。 　　 UAV 可监测外部情况从事商业用途，但飞机本身其实也需要受到监测。 内部感测器是开发 UAV 系统的关键要素，可确保飞机正确且安全地操作，而这些感测器，例如应变计即可用来监测飞机结构并且避免飞行期间发生问题。 这些感测器必须连接到 ADC 数据转换器，然後透过 SPI 介面链结到微控制器。 此数据可储存以便日後分析、在飞机内部进行分析，或是回传到地面以监测 UAV 性能。 　　 因为没有人工输入，因此 UAV 蒐集及处理数据的能力非常重要，而重量与尺寸的限制遂成为设计人员的重大挑战。 　　 感测器与无线感测器网路可用的电力也严重受到限制。 澳洲昆士兰科技大学开发的 2.5 公尺长 Green Falcon 无人机采用 28 个单晶体太阳能电池供电。 这些电池能为机载相机与感测器提供 0.5 W，以便追踪树丛火灾的发展。 　　 澳洲的 Green Falcon UAV　　 图 1：澳洲的 Green Falcon UAV 的太阳能电池仅能产生 0.5 W 给感测器使用。 　　 较大的 UAV 可透过较宽广的表面积，用太阳能电池产生更多电力，因此能使用更多感测器系统。 例如，Solara 50 的长度为 15.5 公尺 (54 ft.)，即可承载 32 kg (70 lb) 酬载。 此飞机可由覆盖在上翼、升降舵以及水平安定面上的 3000 个太阳能电池提供高达 7 kW，并可将过多电力储存到机翼内的锂离子电池。 如此一来，即可提供足够的电力，让 UAV 以 65 mph 速率和 20 km (65,000 ft.) 巡航高度在空中当作空中监测站长达 5 年。 较大的无人机，例如 Solara 60，长度为 60 公尺 (197 ft)，可承载高达 100 kg (250 lb.)。 　　 Solara 50　　 图 2：Solara 50 产生的 7 kW 电力能为其感测器供电长达 5 年。 　　 有些感测器是 UAV 操作的一部份，例如陀螺仪和加速计就可用来监测飞机的位置和方向。 Solara 50 的酬载中亦具有多种机载感测器，其中的高速无线电链路即会将遥测数据回传给地面站台。 　　 美国明尼苏达大学的研究团队也同样使用业余遥控飞机，例如 Ultra Stick 120，开发低成本、开源、小型 UAV 飞行研究专案。 他们的目标是针对众多学科支援其研究活动，包括控制、导航与导引演算法、嵌入式故障侦测法以及系统识别工具。 　　 此团队采用三种尺寸的 Ultra Stick 飞机，包