無人機(Drone)的正式名稱為無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)，它是一種不需要人駕駛的飛行器具，主要透過遙控或內建的智慧功能進行操控。該如何藉由整合嵌入式系統，提供器具導航、自我平衡等功能並爬升到特定高度，同時還能和位於遠端的使用者或機器交換訊息，無人機就是一個最好的實例。
傳統上來說，無人機常見於防禦及科學方面的應用，像是深入偏遠地區、監控、氣象偵測或送貨到條件惡劣的地區。近來由於低成本的微型低功耗嵌入式技術問世，無人機逐漸被運用在消費性應用。現在無人機已成為玩具、攝影輔助器材、送貨載具、農藥噴灑的工具等。
感測器及低功耗網路連結技術出現重大進展，是近來無人機得以飛快成長的關鍵所在，而本文也將對此加以詳細說明。
無人機性能良窳 基本特性不可少
無人機的動作必須非常精確，除了穩定，還要能夠爬升到預期的高度並有效進行溝通。因此，一台最基本的無人機必須具備以下特性：
無人機應該要穩定，不可無預警突然振動、搖晃或傾斜，否則就會失去平衡並墜毀。
無人機的動作要非常精確。至於動作可能指距離、速度、加速、方向與高度。
無人機要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環境狀況。而且不只外部材質，無人機內部所使用的電子零件也要如此。
無人機預料將會變得越來越輕，因此如何確保超低耗電以儘量縮小電池尺寸就顯得相當重要。低耗電技術的崛起，已使得無人機技術得以普及化。
環境感測技術逐漸崛起，成為無人機最關鍵的成長動能之一。現在的無人機都具備好幾種感測器以偵測環境。收集到的資料可用在各種應用，例如氣象偵測、農業等用途。
聯網功能是無人機崛起並廣為市場接受的最重要因素。無人機可藉由簡單的智慧型手機、遙控器或直接透過雲端加以控制。應根據不同使用案例，提供適合的聯網功能解決方案。有的無人機會採用多種聯網功能解決方案，以滿足多用途使用案例的需求。
感測器提供訊息 無人機即時修正
關於感測器在無人機裡所扮演的角色，以下分成核心感測器及特定應用感測器兩部分來加以說明。
使用核心感測器
這些感測器位於無人機的核心位置，可確保裝置功能與導航正常運作。此類感測器包括加速度計、陀螺儀、磁羅盤與氣壓感測器。
加速度計是用來提供無人機在XYZ三軸方向所承受的加速力。它也能決定無人機在靜止狀態時的傾斜角度。當無人機呈現水平靜止狀態，X軸與Y軸為0g輸出，而Z軸則為1g輸出。地球上所有物件所承受的重力均為1g。若要無人機X軸旋轉90度，那麼就在X軸與Z軸施以0g輸出，Y軸則施以1g輸出。傾斜時，XYZ軸均施以0到1g之間的輸出。相關數值便可應用於三角公式，讓無人機達到特定傾斜角度。除此之外，加速度計同時也用來提供水平及垂直方向的線性加速。相關資料可做為計算速率、方向，甚至是無人機高度的變化率。加速度計還可以用來偵測無人機所承受的振動。對於任何一款無人機來說，加速度計都是一個非常重要的感測器，因為即使無人機處於靜止狀態，都要靠它提供關鍵輸入。
陀螺儀感測器能偵測三軸的角速度，因此可偵測出俯仰(Pitch)、翻滾(Roll)和偏擺(Yaw)時角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當重要的感測器。角度資訊的變化能用來維持無人機穩定並防止晃動。由陀螺儀所提供的資訊將匯入馬達控制驅動器，藉此動態控制馬達速度，並提供馬達穩定度。陀螺儀還能確保無人機依使用者控制裝置所設定的角度旋轉。例如意法半導體(ST)新推出的LSM6DSM，是一款結合加速度計與陀螺儀的慣性測量裝置(IMU)。它還能提供兩項獨立的陀螺儀輸出(這種特色能用於飛行控制)，同時當無人機配備攝影機的時候，也可用來穩定攝影機(OIS光學影像穩定/EIS電子影像穩定功能)。
正如名稱所顯示，磁羅盤能提供無人機方向感。它能提供裝置在XYZ各軸向所承受磁場的資料。接著，相關資料會匯入微控制器的運算法，以提供磁北極相關的航向角，然後就能用這些資訊來偵測地理方位。為算出正確方向，磁性資料還須要加速度計提供傾斜角度資料以補強資訊。有了傾斜資料加上磁性資料，就能計算出正確方位。此外，磁羅盤對於硬鐵、軟鐵或運轉角度都非常敏感。所謂硬鐵是指感測器附近的堅硬、永久性鐵磁性物質。它能使羅盤讀數產生永久性偏移。軟鐵則是指附近有弱鐵磁性物質、電路走線等，可讓感測器讀數產生可變動移位，因此它也需要磁性感測器校正演算法，以過濾掉這些異常狀況。這時候最重要的是讓使用者不必費力，運算法就能快速進行校正。除了方向的感測外，磁性感測器也可以用來偵測四周的磁性與含鐵金屬，例如電極、電線、車輛、其他無人機等等，藉此避免事故發生。
氣壓計運作的原理，就是利用大氣壓力換算出高度。壓力感測器能偵測地球的大氣壓力。由氣壓計所提供的資料能協助無人機導航，爬升到所需的高度。準確估計上升與下降速度，對無人機飛行控制來說相當重要。
無人機很容易受到極端狀況的影響，包括振動、噪音與環境。無人機裡所使用的感測器應該具備高度防震功能，擷取的噪音越少越好，而且速度夠快能吸收所有振動。不可以因為溫度、濕度等環境參數的變化就影響效能。最後，它還得耗電超低，以提供更高的電池續航力。
要將原始的感測器數據轉換成有意義的使用案例，軟體程式庫扮演相當重要的角色。演算法可擴大感測器功能，使其超越原本已知範圍。運算法還能結合來自不同感測器的輸入，產生具備情境感知特色的輸出。
加速度計、陀螺儀與磁羅盤這三種動作感測器各有不同優缺點。感測器的限制包括校正不夠完美，也會因為時間、溫度與隨機噪音而產生漂移。磁力計與加速度計容易失真，陀螺儀則是原本就會出現漂移現象。
可利用感測器融合程式庫來相互校正這些感測器，以打造在所有情境下都能得到正確結果的條件。它不只能提供校正過的感測器輸出，還有角度與航向角的資訊，以及四元數角度。
使用特定應用感測器
這類感測器並不影響無人機的核心功能運作，但越來越常被用在無人機上以提供各種不同應用，例如氣候偵測、農耕用途等。
濕度感測器能偵測濕度參數，相關數據則可應用在氣象站、凝結高度偵測、空氣密度偵測與氣體感測器測量結果的修正。目前市面上可見的HTS221濕度感測器，內含一個感測元件和一個類比前端，可透過數位串列介面(Digital Serial Interface)提供測量資訊。這個感測元件包含一個高分子介電質平面電晶體結構，能偵測相對濕度的變化。
微機電系統(MEMS)麥克風是一種能將聲音訊號轉換為電子訊號的音訊感測器。MEMS麥克風正逐漸取代傳統麥克風，因為它們能提供更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻(RF)抗擾性，面對振動時也更加穩健。這類感測器可用在無人機的影片拍攝、監控、間諜行動等應用。
善用穩定聯網技術 無人機控制沒問題
無人機有各種不同聯網技術選項可考慮。低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)與無線區域網路(Wi-Fi)多半用於智慧型手機聯網，而Sub-1GHz是應用在遠端控制器，能提供更遠距離的聯網功能。LoRa、Sigfox等蜂巢式遠距技術，則是可以將無人機資料直接傳送到電信基礎架構。
圖1列舉了不同種技術在有效距離與能耗方面的差異。接下來進一步討論BLE、RF Sub-1GHz以及Sigfox等低功率技術。
 |
| 圖1 不同技術在有效距離與能耗方面的差異比較 |
善用Bluetooth Smart 低功耗快速聯網
Bluetooth Smart又稱為低功耗藍牙，能提供無人機低功耗的聯網功能。這種技術適合低階機種，特別是玩具無人機，它能讓無人機和做為控制裝置的智慧型手機、平板、筆電或專用遠端控制器進行雙向通訊。BLE能讓無人機具備絕佳的電池續航力，這是使用Wi-Fi、傳統藍牙(Classical Bluetooth)等傳統無線技術所不可能達到的。
BLE使用的是2.4GHz免費授權工業、科學和醫療(ISM)頻段。相關標準由藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)負責管理，並支援各大智慧型手機品牌。BLE裝置有兩種主要做法：
網路處理器是一種執行BLE通訊協定的BLE裝置，其中包含控制器、主控元件與堆疊。但它需要一個獨立的微控制器(MCU)，才能搭配執行BLE設定檔和應用程式的主要微控制器並順利運作。它也是一套獨立的平台，能提供更大的彈性空間，讓使用者選擇最適合的微控制器或作業系統。例如，BlueNRG-MS網路處理器，可支援BLE 4.1規範。這款積體電路(IC)能同時擔任主控(Master)與從屬(Slave)，如此一來遠端搖控器就能做為智慧手機的從屬裝置，同時也是無人機的主控裝置。
系統單晶片(SoC)是一種獨立的晶片組，包含控制器、主控元件、堆疊設定檔和應用程式。例如，BlueNRG-1是一款通過BLE 4.2認證的系統單晶片，其中包含十五個通用輸入輸出(GPIO)、I2C、串列周邊介面(SPI)、通用異步收發器(UART)、脈衝寬度調變(PWM)、脈衝密度調變(PDM)以及160kb的RAM。因為支援BLE 4.2規範，這種IC還能提供先進的安全與隱私功能。
利用RF Sub-1GHz 維持長距低耗優勢
正如名稱所顯示，RF Sub-1GHz是利用低於1GHz的頻率傳送訊號。每個國家所定義的頻率不同，免費提供做為工業或科學研究用途。以下為各國所提供的免費頻段：北美(315, 433, 915MHz)、歐洲(433, 868MHz)、印度(433, 865∼867MHz)。
Sub-1GHz頻率的好處是這些頻段相對較為安靜、距離較長且電流消耗量極低。缺點是無法直接提供智慧型手機連線功能，而且並不是每個地方都能使用。
Sigfox是採用Sub-1GHz頻率的一種訂閱制低功耗廣域網路(LPWAN)服務。Sigfox能直接連結電信基礎架構，然後轉接上雲端。它的聯網功能有效範圍可達數公里之遠。用在無人機時，Sigfox可追蹤並將感測器資料傳送到雲端。它是一種直接連結電信基礎架構的低資料率技術，因此一般預料將無法取代可以直接進行控制的聯網選項，例如BLE，還有RF Sub-1GHz直接點對點連線。
例如，最近現身的RF Sub-1GHz與Sigfox收發器S2-LP，能在430M~470MHz以及860M~940MHz頻段進行通訊。輸出功率最高達+16dbm，靈敏度最低到-130dbm。這款超低電流IC可用於點對點連線，在無人機與遠端搖控器之間建立連結。這款產品還通過Sigfox認證，經過設定即可讓無人機直接連上Sigfox網路。
善用開發平台 整合聯網功能/感測器
無人機等新興應用程式的崛起，主要是由新創企業與年輕一代的工程師所帶動。此外，因為市場演化速度加快，成功的機率絕大部分取決於花費的時間與成本。因此，需要一個價格合理、彈性、生產就緒且可隨時擴充的開放原始碼平台環境。
目前已有廠商推出STM32開放式開發環境平台，讓設計人員可以利用其中的微控制器、感測器、射頻與類比產品，以非常具有彈性且價格合理的方式開發產品。這個硬體平台還提供搭配的軟體驅動程式、中介軟體函式庫與應用程式，還有相關的Android與iOS程式碼。
使用者也可以透過一份簡單的電腦授權協議，存取各種先進程式庫。一旦經過平台測試，設計人員就能開發自己專用的印刷電路板(PCB)，並載入他們在平台上開發的韌體。使用者只有在想要測試專用電路板時，才必須簽署程式庫的生產授權。
舉例來說，SensorTile是一種方形的微型化設計平台，其中包含遠端感測及測量動作、環境與聲學參數所需要的一切元件。開發人員能即刻專注於無人機的空氣動力學、馬達控制與物理設計，而不必擔心聯網功能與感測器整合(圖2)。
 |
| 圖2 微型化設計平台 |
消費性/工業應用漸增 無人機未來發展可期
無人機是近年來最重要的創新技術之一。隨著低功耗感測器與聯網技術的問世，現在的無人機已可廣泛應用於各種消費性及工業應用。無人機為開發人員和新創企業提供新的商機，解決一些過去被認為是不實際或過於昂貴的複雜問題。
(本文作者為意法半導體東南亞、紐澳及印度區資深技術市場經理)