无人机如何飞得更安全?台湾芯片商已开始布局

2016-09-02 08:10:00 电子工程专辑 分享
参与

   随着许多人“拥有”无人机,并在一些公共场合让无人机飞上天之后,许多公共安全问题也随之而来,因此无人机提升其飞航安全已成为首要的课题。

   在国外,无人机在军事域已使用一段时间,以维护国土安全为主;在某些专业民用领域,如农业,也已应用在喷洒农药等,进而维护农夫的人身安全。不过,在小型、定位偏向消费性电子的无人机开始吸引许多消费者眼球后,无人机成为许多展会或是厂商下一个物联网(IoT)市场目标,智能手机、手表或其他设备也开始结合无人机,期可创造更好的销售量。但随着许多人“拥有”无人机,并在一些公共场合让无人机飞上天,许多公共安全问题也随之而来,因此无人机提升其飞航安全已成为首要的课题。

   随着科技日新月异与半导体组件的不断进展,让无人机变得更具智能,是相关业者共同的目标。而更加智能的无人机,不仅可带给消费者或专业人士更好的使用经验,也能进一步提升其安全性,例如主动避障等。

   无人机市场魅力狂烧

   2012年时,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Authority,FAA)针对无人机的数量曾经预估,到2020年美国无人机的数量将可达15,000架,但显然FAA低估了无人机的魅力。现阶段美国每个月无人机的销售量不仅远远超过这个数字,甚至无人机市场还吸引了许多半导体电子业者的竞相争逐。

   其中,无人机市场发展最为蓬勃的当属中国大陆,不仅“喂养”出全球最大、市占率高达50%的无人机制造商大疆创新(DJI);研究单位甚至预估,到2025年,中国大陆无人机市场总规模将达人民币750亿元,年均增速可望超过50%,而此诱人的市场规模统计也吸引许多相关业者积极进军中国大陆。

   根据UAV Drones Market市场研究报告指出,2020年以前全球主要的无人机市场大约达到55.9亿美元。无人机的热潮也可从今年消费性电子展(CES 2016)与其他重要消费性产业大展中,窥知一二。

   联咏科技(Novatek)iVOT产品事业部副部经理杨顺帆表示,近期无人机受到媒体与业者高度关切,不但在2013~2015年有非常好的增长,而且在商用或专业民用,以及消费级市场皆取得很好的成绩,也吸引众多半导体或系统业者的加入,预期让2016年无人机市场更加竞争与白热化,未来无人机市场不排除发生购并潮。

   另外,2015年开始,知名处理器芯片供应商如高通(Qualcomm)、英特尔(Intel)、英伟达(NVIDIA)等也正式宣布进军无人机市场,并推出无人机专用的高整合智能芯片产品。一方面因芯片商提供的解决方案够完整,可协助业者降低进入无人机市场的技术门坎;另一方面,这些新的处理器也让无人机可进一步小型化及智能化,更重要的是成本的降低,让更多消费者可以轻易入手。

   爱盛科技(iSentek)董事长赖孟煌则认为,无人机具备空拍的特色,加上价格从相当‘高贵’下滑到消费者普遍负担的起的范围内,因此促使无人机此一存在已久的市场变得相当火热。

2014~2021年商用无人机市场规模(来源:拓墣产业研究所)

   提供不同“视角” 吸引消费者关注

   过去无人机在军用领域除了投递炸弹外,最重要的就是侦查环境的工作,因此无人机几乎都装上了‘眼睛’,也就是摄影镜头。无论在军用或是专业民用领域上,无人机具备‘视力’是不可或缺的条件,而消费型无人机若是配备摄影功能,带给消费者不同的‘视角’感受,会是相当吸引消费者目光的新商品。

   赖孟煌指出,虽然民用无人机的发展脚步快于商用或消费性应用,代替人力进行一些较危险的工作,如喷洒农药或肥料,甚至无人机在商用领域还摇身变为快递机等。不过,相较于专用型无人机,消费型无人机对一般普罗大众来说,不仅可与生活结合,还能够提供不同的自拍角度,与在天空上的视野,可以说为消费者提供的新的、吸引人的价值,因此未来消费型无人机在市场上应该也能占有一席之地。

   另一方面,无论从会飞的手机或是会飞的机器人角度来看,无人机本身就是深具话题与新颖性的产品。杨顺帆认为,这几年来,无人机持续改善令人诟病的问题,一些技术如手动抛飞、双目视觉、自动悬停等功能的实现也使得无人机操作朝向更加“傻瓜化”。现在无人机已不再是只有专家或玩家才能驾驭的设备,已逐渐变成是人人皆有可能轻松掌控的娱乐设备,不但有想象空间又有无穷的乐趣,在消费市场必然会持续受到瞩目。更重要的是,消费型也就是小型无人机每个人都可以使用,现代人对自拍或是在社群媒体直播消息相当热衷,消费型无人机将是相当好的新媒介。

   不仅如此,无人机在物联网世界中,也可以是一个连网的设备,进一步与其他物联网设备沟通。举例来说,恩智浦(NXP)擘画未来自动驾驶汽车时,即将无人机整合在内,负责实时传递路况,或是担任快递惊喜的工具。

   杨顺帆认为,无人机是一种需要机电整合的技术,这与物联网应用中的机器人/手臂机电整合技术相近,而这也是芯片商有志一同进入无人机领域的主因,藉由先投资、练兵,进而累积物联网连网机电设备的发展能力。

   专业或娱乐都得顾及安全性

   无论是专业或是消费性无人机,安全性都是未来无人机相当重要的课题。有鉴于无人机飞行安全事故频传,在台湾就曾经发生过无人机在知名景点日月潭坠毁砸伤游客;因为使用者操作不当使无人机直接撞上101大楼…等意外;无人机发展较快的国外,更是有‘花样百出’的事故,因此除了法规的约束之外,无人机的智能化是另一个提升安全性的重要途径。

   杨顺帆表示,法规规范应区分为商用或是消费型无人机,毕竟两者使用情境有所不同,但相关标准与法规对于安全性的提升来说相当必要,而法规对于产业的健康发展也有所帮助。

   赖孟煌指出,无人机飞行安全事件频传的其中一项原因是,机械设计不够好。这肇因于无人机市场起飞,厂商一窝蜂进入,为了快速让产品上市而忽略了机械设计上的优化,因此美国FAA已着手制定法规要求无人机须采用实名制度,并透过GPS卫星定位防止无人机飞入禁航区。此外还可以无人机规格如电池续航力、飞行距离来进一步管理与限制飞航地区。

   另外,台湾近期也针对无人机禁飞区域制订相关法令。亦即日月潭国家风景区管理处拟订《日月潭国家风景区辖区遥控无人机使用注意事项》,已确认潭区4大码头、向山及水社坝共6个区块,将公告订为限制飞航区域,违反者最高开罚新台币100万元。虽然这仅是针对某个风景区所提出的无人机禁飞规则,但已迈出第一步。

   关键组件赋予无人机更多智能与安全性

   除了法规、无人机机械设计之外,半导体组件也能为无人机的安全性把关。杨顺帆说明,相较于商用或专业民用无人机,消费型无人机对于组件的规格不需达成车规或军规等级,若是在自动避障与室内悬停功能能够做到相当精准,即可确保一定的安全性。

   先不论机械设计好与坏的问题,若单就无人机飞行安全这部份来说,担任大脑的微控制器(MCU)或微处理器,搭配精密的传感器即能进一步提升无人机的飞行智能。赖孟煌进一步说明,9轴或10轴的动作传感器、距离/光传感器、磁性传感器、角度传感器,甚至电流传感器,都与无人机飞行安全有密切的关系。现阶段无人机业者相当看重的自动避障与悬停功能,则需要距离/光传感器、磁性传感器。

   磁性传感器可协助外型设计为四角或八角的无人机在飞行时,判断航向该朝向哪个方位。还可在飞行时计算出最接近于直线的距离,避免折线前进浪费油料;最后在定点时,磁性传感器还能帮助无人机做出悬停与维持水平状态,让用户在拍照或是录像时能以最佳角度进行。

   要做好自动避障功能,距离/光传感器就相当重要。杨顺帆指出,目前使用双目计算机视觉(CV)或是用红外线(IR)三角定位技术做出深度与位置信息是最热门的两种避障技术基础,关键的组件是具备高性能CV运算能力的系统单芯片(SoC)或是红外线传感器。

   除了红外线传感器之外,也有业者认为利用雷射的飞时测距传感器(ToF),将较一般传统红外线传感器精准度更高,能为无人机的飞行提供更佳的避障效果。意法半导体(STMicroelectronics)影像事业部技术营销经理林国志表示,以雷射进行测距的好处是可提供精确到毫米(mm)距离的测量,且目标物体的颜色和反射率不会影响到测距结果。

   事实上,太阳光对/ToF光传感器的精确度影响相当的大,这也考验着芯片供应商的研发能力,若能尽其所能地发展出精准度高;且能同时侦测多点、多物体,并实时回报的产品,对于无人机的发展将有正面综效。

   嵌入式视觉、算法不可或缺

   不仅高精确度传感器与高效能的主控制器可为无人机安全性再提升一层,嵌入式视觉与飞航时如何透过传感器收集的信息进一步达到避障功能的算法,也扮演重要角色。

   赖孟煌认为,无人机飞行控制的部份,不仅扮演无人机唯一感官功能的传感器得相当灵敏,算法和通讯技术的良窳也不能忽视,否则空有传感器,无人机却无法有效地透过信息来避开障碍物,这样的无人机应该无法真正发挥其专业或娱乐效果。

   因应用所需,目前专业级无人机对于嵌入式视觉,也就是机器视觉的需求较大,但未来消费型无人机也会因为结合虚拟现实(VR)或扩增实境(AR)等应用,或是进行智能化的演进时,加入嵌入式视觉功能,已带给消费者更不同的使用体验。

结合无人机机器视觉与AR,消费者可得知更多环境

   赛灵思(Xilinx)工业、科学、医疗(ISM)技术营销资深经理罗霖表示,现阶段一些专业或商用级无人机已开始加入AR/VR,即须具备360度视角的能力,以让专业无人机到达需侦测的现场时,更智能的知道自己需要监控哪些区域,并做出实时分析与判断。

   此外,在避障功能方面,也必须仰赖嵌入式视觉功能。举例来说,大疆创新在其新一代无人机中内建4K摄影机来拍摄或避障,嵌入式视觉的视觉运算分析功能即不可或缺。罗霖强调,嵌入式视觉分析能力遇到需处理4K每秒30帧影像的状况时,其所需的处理能力已远远超过微处理器或是微控制器的能力,因此现场可编程门阵列(FPGA)会是较佳的选择。

   未来发展—更智能化

   因应各种特殊应用所需,专业或商用无人机市场已逐渐起飞;而消费型无人机随着易用度的改善,以及价格更为亲民、带来更多娱乐效果,预期有将有不错的市场前景。杨顺帆认为,消费级无人机最大的应用还是在航拍,其中以自拍娱乐为主的小型无人机市场前景可期,而要让消费者更能接受的消费型无人机,条件之一就是更加的智能。

   消费者无人机最大的使用更倾向于娱乐自拍,所以如何做得更智能,某种程度上就是想办法让无人机自拍功能更傻瓜,与更容易操作,就如同几年前风靡一时的数字傻瓜相机。杨顺帆强调,目前已可看到一些突破传统的航拍功能的尝试,例如自动跟拍、目标物体追踪、人脸辨识等,而更容易操作功能则包括自动绕飞、语音手势控制、物体侦测、室内户外悬停、自主返航以及自动避障。换句话说,更智能的无人机就是让其具备‘视觉’能力,包括环境感知并辨识周围,以及更容易自拍的能力。而要实现这些能力关键的组件依然是具备高性能的CV运算能力SoC,以及搭配的多样传感器。

   赖孟煌则强调,只要和个人生活紧密结合,跳脱无人机专业的领域,消费型无人机的市场就能大鸣大放。

   而看准无人机市场的发展,台湾芯片供应商皆已开始布局,并取得不错的市场成果。除了自家组件技术的发展外,还跟处理器业者如高通进一步合作;抑或者将自家传感器定义为传感器中枢(Sensor Hub),整合所有传感器与影像相关组件,成为无人机在图像处理上的另一颗大脑。台湾业者的努力,也证明台湾厂商不会在无人机市场落人之后。

责编:赵汗青