熱點頻道

友尚推出ST無人機感測與連接功能方案

 2017-07-12

無人機(drone)的正式名稱為無人飛行器(unmanned aerial vehicle),它是一種不需要人駕駛的飛行器,主要通過遙控或內設的智慧控制項進行操控。該如何通過整合嵌入式系統,提供器具導航、自我平衡等功能並飛行到特定高度,同時還能和位於遠端的使用者或機器交換資訊,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、送貨載農藥噴灑的工具等。

 

無人機吸引了各類人的濃厚興趣,包括創新企業、學生、系統整合商、解決方案供應商、電商以及科技供應商。無人機可使人類的生活變得更好、更安全也更有效率。

 

感測器以低功耗網路連接技術出現重大進展,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。

 

無人機的特性

無人機的動作必須非常精確,除了穩定,還要能到飛行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:

 

a)    穩定

無人機應該要穩定,不可無預警突然震動、搖晃或傾斜,否則就會失去平衡並墜毀。

b)    精確

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。

c)    能抵抗各種環境條件

無人機要能抵抗下雨、灰塵、高溫等環境狀況。而且不止外部材質,無人機內部所使用的電子零件也要如此/

d)    低功耗

無人機將會變得越來越輕,因此如何確保超低功耗以儘量縮小電池尺寸就顯得尤為重要。低功耗技術的崛起,已使得無人機技術得以普及化。

e)    環境感知

環境傳感技術逐漸崛起,成為無人機最關鍵的發展領域之一。現在的無人機都具備好幾種感測器以監測環境。收集到的資料可用在各種應用,例如氣象監測、農業等用途。

f)     聯網功能

聯網功能是無人機崛起並廣為市場接受的重要因素。無人機可通過簡單的智慧手機、遙控器或直接通過雲端加以控制。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。

 

無人機的聯網功能

無人機有各種不同的聯網技術選項可考慮。 低功耗藍牙(BLE)與Wi-Fi多半用於智能手機聯網,Sub-1GHz則是用在遠端控制器,能提供更遠距離的聯網功能。

 

下圖列舉了不同種技術在有效距離與能耗方面的差異。 接下來我們將進一步討論BLE、RF sub-1GHz 以及Sigfox等低功率技術。

 

 

Bluetooth Smart低功耗藍牙技術(BLE

Bluetooth Smart又稱為低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy,BLE),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手機、平板、手提電腦或專用遠端控制器進行雙向通訊。低功耗藍牙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。

低功耗藍牙使用的是2.4GHz免費授權ISM頻段。相關標準由藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)負責管理,並支援各大智慧手機品牌。

低功耗藍牙裝置有兩種主要做法:

  1. 網路處理器

網路處理器是一種執行低功耗藍牙通訊協定的低功耗藍牙裝置,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,才能搭配執行低功耗藍牙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臺,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。 BlueNRG-MS是意法半導體所推出的網路處理器,可支援BLE 4.1規範。這款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。

  1. 系統晶片(SoC)

系統晶片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。 意法半導體的BlueNRG-1是一款通過BLE 4.2認證的系統單晶片,其中包含15個GPIO、I2C、SPI、UART、PWM、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。

RF sub-1GHz

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:

  • North America : 315, 433, 915Mhz
  • Europe : 433, 868Mhz
  • India : 433, 865-867Mhz
  • 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。 它的連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,例如低功耗藍牙,還有RF sub-1GHz直接點對點連線。

意法半導體最近推出了RF sub-1GHz與Sigfox收發器S2-LP。這款產品能在430-470 MHz以及860-940 MHz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。

 

開發平臺

無人機等新興應用程式的崛起,主要是由創新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,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臺環境,就顯得非常重要。

意法半導體已推出STM32開放式開發環境平臺,讓設計人員可以利用意法半導體的微控制器、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。這個硬體平臺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定,存取各種先進資料庫。一旦經過平臺測試,設計人員就能開發自己專用的印刷電路板,並載入他們在平臺上開發的固件。用戶只有在想要測試專用電路板時,才必須簽署資料庫的生產授權。

 

SensorTile

SensorTile是一種方形的微型化設計平臺,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于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。

 

 

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。無人機為開發人員及創新企業提供了新的商機,解決一些過去被認為是不實際或過於昂貴的複雜問題。意法半導體深信無人機是一個值得關注的重要市場,將持續致力於相關領域產品的開發。