无人驾驶航空电子系统的传感器

本文讨论在为无人机 (UAV) 开发从压力到振动、位置传感器时所面临的各种挑战。 飞行器的自身环境为我们带来了一系列挑战，从传感器节点到电力和重量管理。

为提升各种系统的监视能力，新一代无人机 (UAV) 正在开发之中。 从跟踪澳大利亚丛林火灾，到监视美国交通路况，这些无人机使得大多数最新传感器技术在许多方面大显身手。 例如，红外摄像可在夜里跟踪失踪的人，而激光光谱技术又可用于监视大气污染情况。

通过增加无人机的移动灵活性以及更快的响应时间，采用机载传感器能够显著提升数据采集质量。 此外，再加上由遥控飞机过渡到需要惯性导航传感器的自主系统，从而将加速计、磁力仪和 GPS 系统融合在一起。 所有这些都需要更多地关注在重量和动力方面极受限制的航空应用中的传感器系统集成。

改变传感器架构可将控制传感器完全取消，进而显著缩小 UAV 体积。 这将创造出一类全新的超小型 UAV。

同时，研究人员正在利用手持式 UAV 开发并测试其传感器系统。 针对交通拥挤、安全和环境影响研究的 Phastball-0 无人机已在美国西佛吉尼亚大学 (WVU) 开发成功。 这款手动发射式 UAV 翼展 96 英寸，起飞重量 21 磅，含 7 磅远程检测有效载荷。 这款飞行器在 9 信道 R/C 无线系统遥控下飞行，并由一对无刷电动涵道风扇提供动力。 采用电动推进系统能简化飞行操作，减少在机载传感器上产生的振动。

远程检测有效载荷系统包括一个高清数码相机、GPS 接收器、低成本惯性导航系统 (INS)、400 码下视型激光测距仪、飞行数据记录仪、摄像机和无线视频传输系统。

德国法兰克福 Goethe 大学的研究人员正在使用 UAV 弥补卫星照片之间的数据差异，以监视摩洛哥的土壤流失情况。 由德国 MAVinci 开发的固定翼 Sirius I UAV 配备了 Panasonic 数字系统相机，并在不同范围、不同飞行高度下对不同的研究地点进行调查，以获取具有极高分辨率、特定地点数据和较低分辨率的全景图。 利用图像处理和 GPA 数据，可创建数字式地形模型 (DTM) 和高分辨率拼接图像，从而以 2D 或 3D 方式鉴定土壤流失情况。 此外，还有助于分析周围区域和景观开发情况。

上述案例是利用 UAV 监视外部情况，但无人机本身也需要监视。 内部传感器是 UAV 系统开发的关键部分，可以确保飞行器安全、正常地工作，此处的传感器如 应变仪用于监视机身情况，避免飞行中出现问题。 实现这些功能需要连接 ADC 数据转换器，然后通过 SPI 接口与微控制器连接。 接下来，就可保存数据以备后用，或者在飞行器内进行分析或传回地面，用于监视 UAV 性能。

因为不是人工输入，有关 UAV 的数据收集和处理能力就变得至关重要，且由于重量和尺寸限制，实现这一功能是设计人员面临的关键挑战。

为传感器和无线传感器网络提供电力也受到极大限制。 澳大利亚 Queensland University of Technology（昆士兰理工大学）开发的 2.5 m 长 Green Falcon 无人机采用二十八块单晶体太阳能电池供电。 这些电池能为机载像机和传感器产生 0.5 W 电力，用于跟踪丛林大火的蔓延情况。


图 1：澳大利亚的 Green Falcon UAV 从太阳能电池仅产生 0.5 W 电力，向其传感器供电。

较大型 UAV 利用其更大的表面积和太阳能电池产生更多的电力，因此能采用更多的传感器。 例如，Solara 50 无人机长 15.5 米（54 英尺），有效载荷 32 公斤（70 磅）。 这款无人机采用了 3000 块太阳能电池，分别分布在上机翼、升降舵和水平尾翼上，可提供高达 7 kW 的电力，并将多余部分存储在机翼中的锂离子电池中。 这样充足的电力能让这款无人机象一个机载监视站一样，以 65 mph 的速度在 20 公里（65,000 英尺）的高空巡航达五年时间。 这款无人机的大型版本为 Solara 60，翼展 60 米（197 英尺），载荷达 100 公斤（250 磅）。


图 2：Solara 50 产生的 7 W 电力能向其传感器供电长达五年。

一些传感器是 UAV 飞行不可或缺的，其中陀螺仪和加速计用于监视飞行器自身的位置和飞行方向。 Solara 50 也在有效载荷中配备了各种各样的传感器，并采用高速无线链路向地面站传输遥测数据。

同样地，美国明尼苏达大学的 UAV 研究团队正在利用如 Ultra Stick 120 等业余型遥控飞机开发一种低成本、开源、小型 UAV 飞行研究设施。 这样做得目的是支持系内的研究活动，其中包括控制、导航和制导算法、嵌入式故障检测方法和系统识别工具。

该研究团队选用了具有三种规格的 Ultra Stick 飞行器系列：120、25e 和 Mini 型，这些飞行器上安装了丰富的传感器子系统。 惯性测量装置 (IMU) 采用了 Analog Devices <iSensor^® ADIS16405，而 GPS 系统则采用了 Sirf III 芯片组。


图 3：Analog Devices 的 ADIS16405 采用 UAV 惯性测量系统。

该团队将 16 位分辨率 Semtech SX8724C 缩放式 ADC 用作连接 Honeywell 压力传感器的主 ADC。 这个数据采集系统基于 Semtech 的低功耗缩放式 ADC 技术，并将大多数类型的微型传感器与通用微控制器直接连接。

该系统采用三种差分输入，能够适应多个传感器系统。 其数字输出用于对传感元件进行偏置或者复位。 数据采集链由一个输入多路复用器、三个可编程增益放大器和一个过采样 A/D 转换器组成。 基准电压可在两个不同的通道上选取，并利用两个失调补偿放大器实现很宽的失调补偿范围。 可编程增益和失调允许应用将基准电压确定的输入范围中的一小部分放大。

八输入多路复用器用于选择模拟输入，而基准输入则在两个不同的通道间选择。 然而，由于输入放大器始终在差模方式下运行，且采用由多路复用器选择的正输入和负输入，因此在单端配置中仅有七个采集通道可用（含 VREF）。

缩放部分的核心是三个可编程差分放大器 (PGA)。 选定由一个输入、基准信号 VIN 和 VREF 形成的组合后，输入电压将经过 1 至 3 级调制和放大。 达到 1000 V/V 的可编程微调增益与传感器分辨率匹配。 最后两级提供可编程失调，并在需要时旁路掉每个放大器。 然后，PGA 级联的输出被直接发送至模数转换器 (ADC)，将信号转换为可用于微控制器的数字流。 这些数据然后被保存或打包，并通过无线方式发送至地面。

来自 Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 是一款包含三轴陀螺仪、加速计和磁力仪的完整惯性系统。 该系统将 iMEMS 微加工技术与可优化动态性能的信号调节功能相结合。 CMOS 技术用来减小传感器尺寸和成本，并降低功耗。 每个传感器在出厂前均针对灵敏度、偏置、对准和线性加速度（陀螺仪偏置）进行了特征化，以应对陀螺仪的偏置现象。 因此，每个传感器都有自己的校正公式动态补偿功能，该公式有助于在 40°C 至 +85°C 范围进行精确测量。 磁力仪具有自校正功能，以便在整个温度范围内实现准确的偏置性能。 解决 UAV 传感器的温度变化问题，是确保所接收数据准确、有用的关键。


图 4：Analog Devices 的 ADIS16405 iSensor 的框图。

与分立设计相比，ADIS16445 是一种简单方便、经济高效的方法，适用于集成准确的多轴惯性检测功能。 工厂生产过程包含了测试、校准过程，因而将系统集成时间缩短至最少；在导航系统中，严格的正交对准又简化了惯性坐标系的对准。 改进型串行外设接口 (SPI) 和寄存器结构可实现更快的数据收集速度和配置控制；通过使用兼容性引脚布局和与 ADIS1635x、ADIS1636x 相同的封装，则只需通过改变固件以容纳更多的传感器和升级寄存器映射方式，即可完成 ADIS16400 升级。

尽管 ADIS16400 能独立生成数据，但还可用作与系统（主机）处理器通信的 SPI 从设备。 SPI 在全双工模式下运行，也就是说主处理器可以从 DOUT 读取输出数据，并能利用相同的 SCLK 脉冲在 DIN 上发送下一个目标地址。

为了将空间要求降至最小，该模块尺寸为 23 mm × 23 mm × 23 mm 并采用灵活的连接器接口，以提供多种安装方向。

在穿过对有人机来说是太过危险的区域时，无人机尤其有用。 但是，这需要更多的传感器。 美国的国家海洋和大气管理局 (NOAA) 正利用 Aerosonde UAV 追踪飓风，利用绝对压力传感器测量风速和气压降。 这款 UAV 由澳大利亚制造，能够向位于佛罗里达州的国家飓风中心直接发送近实时的数据。 除了标准气压和温度读数外，这款无人机还能在比以前系统提供更接近水面的测量值。 英国的 UAV 制造商 UAVSI 也有其 Vigilant 20 kg 系统版本，且该机经过特殊设计，可用于在诸如南极等恶劣气候条件下进行科学研究。

传感器架构已变得越来越重要，无论是 UAV 机载传感器还是地面传感器，在设计中都举足轻重。 虽然这听起来可能奇怪，但 US DARPA 研究机构已就自适应式 ADAPT 传感器系统与有经验的移动应用开发商展开协作。 这是一个能在不同设置中使用的灵活传感器结构，但会利用定制版 Android 操作系统将重点放在智能、监控和侦察 (ISR) 设计方面。

在 DAEPA 测试中，简单的四轴飞行器采用 ADAPT 传感器自动跟踪其与地面的距离。 作为 ADAPT 核心的无人值守地面传感器 (UGS) 将飞行指令转发至 UAV，因此允许“直升机”变得更小。 DARPA 认为，ADAPT 可在军事领域领导更快、更有效的技术开发，但在某些方面，传感器也能在消费类电子产品中发挥各种作用，如 Bitcraze 的 Crazyflie。 这是一款按照不同机载传感器分为两个版本的 9 cm x 9 cm 四轴飞行器，其重量仅 19 g。 这款飞行器的飞行时间长达七分钟，通过标准 USB 坞站大约需要 20 分钟就能为其锂聚合物电池充满电。


图 5：Crazyflie 的微型四轴飞行器 UAV。

总结

目前，有各种形式的传感器被集成到 UAV 中，但电力和重量方面的限制仍会制约可以加到此类系统中的传感器。 红外和传统数码相机、摄像机，甚至还有激光光谱系统正运用到 UAV 中，以扩大测量范围。 然而，UAV 本身的控制也需要传感器。 更复杂的惯性测量和 GPS 跟踪系统采用最新的硅晶技术，减少了电力需求和重量。 对于在 UAV 系统中有效工作的坚固型加速计，微加工传感器会让其具有高度集成的数据处理能力，从而进一步减小功耗和尺寸。

通过从不同的方面考虑传感器架构，UAV 的体积会显著变小并找到各种不同的新用途。