無人機上的仿生感知系統

2020-08-28 雷擎科技RagineTec

為了能更好地控制無人機的飛行，各種傳感器的運用對其飛行能力起到了十分關鍵的作用。大多數人將無人機稱為一架會飛行的「傳感器」。據半導體應用網了解，無人機的慣性測量單元(IMU)、氣壓傳感器、地磁傳感器、應用特定型傳感器節點(ASSN)和傳感器數據融合的精度等等對其飛行性能有著直接且實質的影響。

在持續提升無人機飛行性能的道路上，研究人員們開發了各種各樣的新型傳感器。

受到貓科類動物的啟發，其鬍鬚可以通過偵測氣流的變化起到導航作用，上個月在ICRA，來自澳大利亞布裡斯班昆士蘭大學的Pauline Pounds研究出了一款應用於無人機的鬍鬚——新型晶須傳感系統。

這樣一款微小、便宜而又靈敏的傳感器系統能夠感知環境，以便無人機能夠機動地避免諸如湍流的危險，研究人員的目標是在黑暗、塵土飛揚或煙霧瀰漫的空間中使得微型飛行器能夠安全的飛行。

據了解，晶須陣列非常敏感，實際上它可以檢測到低至3.33微牛頓的力，這使得研究人員不得不在實驗室屏住呼吸，因為一旦呼吸稍有用力就會在測量時嚴重地幹擾到晶須陣列的測量。

不過，正是這種靈敏度使得晶須陣列能夠探測到物體在移動過程中所產生的空氣流，雖然不能立即使無人機實際停止，但可以及時採取其他措施保護無人機自身，比如切斷電機的動力。此外，晶須也可用於測量流體流量(代表通過空氣的速度)，當然，在低速時它們也可用作接觸傳感器。

根據介紹得知，整個晶須陣列的製作也比較簡單，將一團ABS塑料加熱後拉成像太妃糖一樣的細長纖維。每個晶須底部的ABS斑點粘在3D列印的負載板上，負載板又連接到三角形排列的力墊(實際封裝的MEMS氣壓計)。四晶須陣列的材料成本約為20美元，重量僅為1.5克。除了無人機以外，在黑暗、多塵或煙霧環境中運行的小型機器人也可以利用這些傳感器，能夠有效避免使用昂貴的相機和雷射雷達系統。

不僅是貓科類動物，近日外媒報導，普渡大學(Purdue)研究人員通過蜘蛛、蝙蝠、鳥類和其他動物的傳感器得到了一些靈感，來幫助提高自動駕駛汽車和無人機的能力，使它們擁有更好的傳感能力，可以更快地處理感官信息，更好地檢測與避開物體，提供更有效、更靈敏的危險避免系統。

研究人員解釋說，蜘蛛、蝙蝠或鳥類本身的傳感器非常快，它們之所以能夠如此快速地處理數據，原因之一是這些動物並不需要處理所有的數據，它們只需響應威脅安全的信息並做出反應。據稱，研究人員開發的新傳感器就是由生物的神經末梢與稱為機械感受器的特殊神經元相關聯。研究人員希望它能以類似的方式反應，將傳感器集成到自動機器的外殼中，比如機翼或車身，選擇性地處理信息，減少信息處理量並提高處理速度。

據介紹，新型傳感器材料被設計成在外力作用下快速改變形狀。形狀的改變使材料內部的導電粒子相互靠近，從而使電流通過傳感器並攜帶信號。研究人員說：「藉助機器學習算法，我們可以以最小的能耗訓練這些傳感器來自主工作，製造各種尺寸的傳感器也是沒有障礙。」

無人機傳感器市場正在快速增長，根據此前IHS Markit的數據顯示，無人機和玩具直升機中MEMS運動傳感器(即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器)的市場至2021年預計將達到約7000萬臺，而其2018至2021複合年增長率可達到17%。

傳感器之外，在系統層面利用軟體開發，通過融合各種傳感器讀數可以實現特定的功能，硬體與軟體工具的結合，使得無人機具有更好的可靠性、安全性與操作性。隨著無人機研製、生產成本不斷降低，其應用範圍日益廣泛，具有旺盛的市場需求和廣闊的發展前景。其中，傳感器作為無人機的一個重要組成部分，將會隨著無人機的發展呈現出爆發式增長。

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