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传感器解决方案在无人机创新中的关键作用_MEMSIC美新

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

较当今快速增长无人机市场而言，传感器技术还未受到广泛关注。在这篇文章中，我们将重点讨论当前无人驾驶飞机和传感技术的发展情况。

工业无人机是无人机市场中重要的增长产业。根据市场研究公司Tractica预测，到2025年全球商业无人机的出货量将从目前的8万台增加至270万台；与此同时产生的相关服务产业将达到82亿美元/年。在过去，无人机技术创新主要集中在军事应用上。然而，最近的重点发展趋势已逐步向商业市场转移。主要包括:

货物运输与快递

在远程或者不容易到达的区域，可以采用无人机运输药品和小型物品，包括将物资运送到经历了地震、洪水和疾病爆发的区域。另一方面，无人机也可用于商业快递。2013年亚马逊和谷歌都宣布将采用无人机进行货物投递，使客户可以在几个小时之内就收到订购的物品。而此类应用的关键在于美国联邦航空局的飞行规则。虽然目前无人驾驶飞机只是仅有的几个网络电商的配送方式，但美国联邦航空局有望修改规则，允许一部分超出可视范围的应用。美国联邦航空局目前有27个企业和贸易协会正在调查和讨论基于大小和飞行路径的商用无人飞机的飞行规则，我们期望持续关注定义测试和飞行规则，最终的目标是允许自主无人机成为日常商务的一部分。

监测与测量

监测与测量产业也是目前增幅较大的市场。例如：地磁测量，可用于预测矿藏位置、天然气和石油管道监测、灾区检查和野火检测和预防。其他应用包括：考古研究和数据收集，考古学家可以使用无人机技术创建三维模型的站点，可以节省研究人员几个月的时间。

环境与动物保护

环保组织和动物权利组织通过使用无人机有效遏制了违法行为，取得了良好的效果。例如，世界野生动物自然基金会（WWF）从2012年开始，在尼泊尔的环境保护援助项目中使用无人机。无人机主要用于老虎、大象、犀牛、鹿种群的观测。世界自然基金会还曾与纳米比亚政府通过使用无人机来帮助减少犀牛偷猎。海洋守护者协会反捕鲸活动人士则通过无人机监视日本的捕鲸船。

法律实施

在过去的几年中，许多国家的警察使用无人机，对嫌疑人和公共场所进行监测。无人机可配备非致命性的工具，如电击枪来调查罪犯和辅助追捕。例如：美国北达科他州正在对配有电击枪的无人机进行巡逻测试，而其他无人机配备传感器来识别化学、生物、放射和核材料。

商业电影

媒体和电影制片人使用无人机来捕获图像和视频，从而替代直升机或昂贵的起重设备，在降低成本的同时还可以提高拍摄灵敏度和可操作性，为导演提供更多优质的图片和画面。同时，无人机还可以用于捕捉体育事件，获得运动员在比赛过程中的动态特写，特别是运动员高速运动过
程中的特写。加速度传感器作为无人驾驶飞机的引导系统，实现了无人机的上述功能。大疆公司为电影拍摄推出的“大疆精灵3”价格仅为999美元，是业界便宜的无人机之一。近期，GoPro已宣布，将投资开发一款专门用于视频录制的无人驾驶飞机。

农业

无人机在农业的应用在过去几年中大幅增加。农民使用无人机监测和提高作物的健康状态和灌溉系统以及牲畜位置。鉴于严重干旱处理等问题，无人机将成为越来越重要的农业产业化的新型生产工具。美国美林银行全球研究报告显示，农业无人机的市场潜力，将创造超过10万个就业岗位，2015-2025年的市场容量将达到820亿美元。

医疗健康

无人机在医疗保健领域的使用也日益受到关注。小型无人机可以有效地使用内部的医疗设施和自主投放，把药物送至病人床边。他们也可以用于传送关键项目如血液分析和医疗用品，而救护车无人机也正在测试之中。这些无人机可以用于传送自动体外除颤器来增加心脏骤停患者的存活率。荷兰代尔夫特大学已经完成该产品的设计及定义。

传感器成就无人驾驶

根据目前的无人机发展趋势，传感器技术将会起到什么样的作用？

加速度计

加速度计用于确定位置和无人机的飞行姿态。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，这些小的硅传感器在维持飞行控制中起到关键的作用。MEMS加速度传感器有多种方式感知运动姿态，一种类型的技术能够感知微型集成电路的微小运动，这类“跳水板”的运动改变了结构中电
流的移动，从而指示与重力有关的位移变化。

另一种加速度计的技术为热对流技术，具有几个明显的优势。它没有移动部件，而是通过一个“热气团”的位移来感知的运动变化。这类传感器灵敏度较高，在稳定车载摄像机、电影制作等应用起着至关重要的作用。通过控制上下运动和防振功能，制片人就能够非常顺利的捕获画面。此外，由于这些传感器较其他产品有更好的抗震性，热对流MEMS传感器在无人机螺旋桨运动的抗震性有着完美的表现。

惯性测量单元

惯性测量单元结合GPS是维持方向和飞行路径的关键。随着无人机智能化的发展，方向和路径控制是重要的空中交通管理规则。惯性测量单元采用的多轴磁传感器，在本质上都是精准度极高的小型指南针，通过感知方向将数据传输至中央处理器，从而指示方向和速度。

倾角传感器

倾角传感器，集成了陀螺仪和加速度计为飞行控制系统提供保持水平飞行的数据。这是在易碎品运输和投递过程中最重要的稳定性监测应用程序。这类传感器和陀螺仪，结合加速度计，能够测量到细微的运动变化，使得倾角传感器能够应用于移动程序，如汽车或无人驾驶飞机的陀螺补偿。

电流传感器

在无人机，电能的消耗和使用非常重要，尤其是在电池供电的情况下。电流传感器可用于监测和优化电能消耗，确保无人机内部电池充电和电机故障检测系统的安全。电流传感器工作通过测量电流（双向），理想的情况下提供电气隔离，以减少电能损耗和消除电击损坏用户系统的机会。同时，具有快速的响应时间和高精度的传感器可以优化无人驾驶飞机电池的寿命和性能。

磁传感器

在无人机，电子罗盘提供关键性的惯性导航和方向定位系统的信息。基于各向异性磁阻（AMR）技术的传感器，较其他传感器相比有明显的地功耗优势，同时具有高精度、响应时间短等特点，非常适用于无人机的应用。整体解决方案为无人驾驶飞机制造商提供质了量数据传感稳定且紧凑的封装。

发动机进气流量传感器

流量传感器可以用于有效地监测电力无人机燃气发动机的微小空气流速。这一功能能够帮助引擎CPU确定在特定的引擎速度下保持适当的燃料空气比值，从而改善功率和效率，并减少排放量。许多气体发动机质量流量传感器都采用热式技术，主要利用加热的元件和至少一个温度传感器来量化质量流量。MEMS热式气体质量流量传感器也在微计量范围内利用热原理及其适用于对重量要求较高的领域。

美新公司的技术与产品适用于多种控制系统

美新MEMS技术独创性的采用了单芯片集成技术，能够最大限度的承受抗冲击力和振动，从而大幅提高了传感器和系统的稳定性。美新加速度计系列产品能够广泛用于包括无人机在内的多种领域，包括：汽车安全系统稳定性控制和翻转检测。美新的加速度计如上文所述，因为没有移动部件，只移动的“热气团”，具有卓越的稳定性。同时，用于测量加速度的技术也可以有效的用于测量气体流量。美新的气体流量传感器较其他传感器相比具有体积小、低功耗和宽量程等优势。在气体检测有着完美的表现，如燃气无人机和新型医疗设备。

美新惯性导航单元（IMUs）系列产品已在在超过100个型号的飞行器中使用。这些通过美国联邦航空署（FAA）认证过的器件，在新型飞机的精度定向和农业无人控制设备中发挥着越来越重要的作用。美新最新的IMU380系列产品，是专门针对私人飞机、农用无人控制设备设计产品，具有体积小、坚固耐用等特点。

倾角传感器与陀螺补偿对工业和建筑机械水平校准至关重要。这些高精度的传感器在安全监测应用领域发挥着关键作用，包括草坪割草机和摩托车应用中。

电力消费监测是另一个非常重要的应用系统，美新电流传感器提供了良好的过问性能，大幅提高了动态范围、分辨率和带宽。

传感器在多元化的产品应用中比以往任何时候都显得重要。在当今的环境中，安全和稳定的操作都在来自于高度精确和可靠的传感技术的使用。

声明
感谢美国东北大学研究生Gayatri Kakarla、Rithvik Narayanan、Rachel Parkin、Ke Xuan和副教授Tucker Marion。他们为这篇文章做了大量的市场信息收集和调研。

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