本文來自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/吳子鵬。
低空經(jīng)濟(jì)是指在垂直高度1000米以下、根據(jù)實(shí)際需要延伸至不超過3000米的低空空域范圍內(nèi)，以垂直起降型飛機(jī)和無人駕駛航空器為載體，以載人、載貨及其他作業(yè)等多場(chǎng)景低空飛行活動(dòng)為牽引，帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)。
作為一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，低空經(jīng)濟(jì)勾畫出一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)鏈架構(gòu)。4月初，工信部等四部門聯(lián)合印發(fā)《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)施方案（2024—2030年）》，其中明確提到，精準(zhǔn)定位、感知避障、自主飛行、無縫通信與監(jiān)視、數(shù)字導(dǎo)航、智能化空域管理、低空智聯(lián)網(wǎng)體系是產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)急、物流、交通、娛樂消費(fèi)、農(nóng)林巡檢則是五大重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。
在此前的文章中我們已經(jīng)指出，5G-A帶來的通感一體對(duì)于發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，今天我們的重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)移到傳感器上，這是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)、直升機(jī)和eVTOL(電動(dòng)垂直起落飛行器）等低空航空器重要的元器件之一。
低空飛行器里的傳感器需求
低空飛行器主要面向應(yīng)急、物流、交通、娛樂消費(fèi)、農(nóng)林巡檢五大場(chǎng)景，這些場(chǎng)景中有大量的傳感器需求，比如氣象監(jiān)測(cè)、遙感航拍、物品運(yùn)輸?shù)?，另外為了能更好地控制低空飛行器的飛行，也需要大量的傳感器。
我們說回5G-A，其帶來的通感一體技術(shù)簡(jiǎn)單理解就是，基于現(xiàn)有的移動(dòng)通信基站實(shí)現(xiàn)通信，然后借助雷達(dá)的感知能力對(duì)低空飛行器進(jìn)行追蹤。這里面雷達(dá)雖然不屬于傳感器的范疇，不過定位確實(shí)是一個(gè)很大的傳感器需求。
我們比較熟知的定位是GPS。作為全球定位系統(tǒng)，GPS可以提供飛行器的位置信息和速度信息，是目前定位技術(shù)中最為先進(jìn)和最為精確的一種。在低空飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，GPS是用于確定飛行器位置、導(dǎo)航和航跡規(guī)劃的基本傳感器。它提供全球定位信息，幫助無人機(jī)在三維空間中準(zhǔn)確定位。
除了GPS，在低空飛行器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)中用到的傳感器包括慣性測(cè)量單元（IMU）、視覺傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）、超聲波雷達(dá)、紅外傳感器、氣壓計(jì)、磁力計(jì)和電子氣象儀等。
對(duì)于低空飛行器來說，自主導(dǎo)航系統(tǒng)感知三維信息非常關(guān)鍵。雖然GPS能夠獲取經(jīng)度、緯度和高度，不過有時(shí)候GPS會(huì)受到干擾，于是飛行器上就需要一種組合的傳感器體系用于確認(rèn)飛行器的姿態(tài)。IMU便能夠利用飛行器的姿態(tài)、加速度和角速度等信息來推測(cè)其位置和速度，算是GPS定位的一種補(bǔ)充。
不過，往往IMU確認(rèn)的位置容易受到積分漂移、溫度、制造工藝等方面的影響，產(chǎn)生一些測(cè)量的偏差。因此，在IMU起作用時(shí)，視覺傳感器和雷達(dá)的融合系統(tǒng)在導(dǎo)航中的權(quán)重會(huì)更高，保障飛行器的安全飛行。
在低空飛行器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，視覺傳感器包括攝像頭、紅外相機(jī)和其他光學(xué)傳感器，主要用于視覺導(dǎo)航、避障和實(shí)時(shí)圖像捕捉；激光雷達(dá)可用于生成高分辨率的地形地圖，進(jìn)行三維地圖構(gòu)建、避障和環(huán)境感知；超聲波雷達(dá)可用于近距離障礙物檢測(cè)，幫助飛行器提高低高度時(shí)的安全性。
和無人機(jī)一樣，預(yù)計(jì)光流傳感器將會(huì)是低空飛行器的重要傳感器。光流傳感器是一種基于光學(xué)原理的傳感器，它可以通過感知光線的變化來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，光流傳感器在不同的高度向左位移同樣的距離，相同物體在光流傳感器相機(jī)視野中向右位移的距離是不同的。那么，光流傳感器通過運(yùn)動(dòng)物體在成像平面上的像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，從而計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)信息以及高度。
同時(shí)，為了保持飛行器時(shí)刻處于正常的姿態(tài)，各種陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)的用量也很大。這里面，陀螺儀能監(jiān)測(cè)三軸的角速度，角度信息的變化能用來維持無人機(jī)穩(wěn)定并防止晃動(dòng)，陀螺儀對(duì)飛行器對(duì)抗風(fēng)力也有非常大的幫助；加速度計(jì)能夠測(cè)出飛行器在XYZ三軸方向所承受的加速力，確保飛行器在靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)接受到的動(dòng)力輸出是正確的，加速度計(jì)還可以用來監(jiān)測(cè)無人機(jī)所承受的震動(dòng)。另外，為了降低載人飛行器的噪聲，MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用也會(huì)非常廣泛。
用到如此多的傳感器，那么這些傳感器是否會(huì)具備一些共同點(diǎn)呢？在產(chǎn)品特性方面，穩(wěn)定、精確和低功耗將是低空飛行器對(duì)傳感器的統(tǒng)一要求。穩(wěn)定和精確都很好理解，我們簡(jiǎn)單說一下低功耗，低空飛行器主要采用電動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能量來源于電池，為了獲得足夠遠(yuǎn)的續(xù)航，各個(gè)零部件都要有低功耗的要求。另外，部分傳感器還需要有聯(lián)網(wǎng)功能，以及能夠抵御嚴(yán)苛的環(huán)境挑戰(zhàn)。
國際傳感器大廠仍占主動(dòng)
有人說，低空飛行機(jī)就是“傳感器飛上天”，或者將低空飛行器稱為“會(huì)飛行的傳感器”，這些說法都有一定的道理，確實(shí)低空經(jīng)濟(jì)將是傳感器領(lǐng)域巨大的發(fā)展機(jī)遇，帶來很多全新的需求。當(dāng)前，無論是政策還是產(chǎn)業(yè)都非常關(guān)注。傳感器企業(yè)需要為通用航空器提供包括溫度、壓力、加速度、流量、位置等在內(nèi)的各種類型傳感器。
有業(yè)者曾說，打造低空飛行器本質(zhì)上就是打造一架飛機(jī)。那么，在通用航空傳感器的供應(yīng)上，由于對(duì)傳感器品質(zhì)和性能有很高的要求，國際傳感器大廠有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。比如，霍尼韋爾提供的通用航空航天接近傳感器(GAPS)系列，這款傳感器傳統(tǒng)ECKO（渦流殺振蕩器）拓?fù)涞母牧技夹g(shù)，一直是航空航天應(yīng)用中的標(biāo)配技術(shù)。在通用航空市場(chǎng)，霍尼韋爾擁有豐富的傳感、開關(guān)和裝配方案。
Kulite在通用航空的壓力傳感器方面也很有名，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括輔助動(dòng)力裝置、液壓傳感器高壓密封表壓和絕壓、推進(jìn)/發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)境控制系統(tǒng)、電子壓力開關(guān)和組合/雙聯(lián)。
在IMU和陀螺儀的供應(yīng)上，也是TDK、ADI、ST、博世和霍尼韋爾等國際廠商處于性能領(lǐng)先的位置。在MEMS加速度計(jì)方面，博世、ST、NXP、ADI和村田的產(chǎn)品都很有優(yōu)勢(shì)。在低空飛行器市場(chǎng)，國內(nèi)整體還面臨著高端傳感器缺失的問題。
不過，為了響應(yīng)萬億規(guī)模的低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國產(chǎn)傳感器也已經(jīng)有所謀劃。2009年，國家就專門發(fā)文要在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用國產(chǎn)低空無人飛行器航測(cè)遙感系統(tǒng)，主要承擔(dān)單位基本是各科研院所。目前，國內(nèi)也擁有安培龍、芯動(dòng)聯(lián)科、奧比中光等傳感器廠商，皖科、海凌科、智芯等傳感器模組廠商，以及豪恩汽電、星縱物聯(lián)、博感科技等傳感器方案商。不過，目前國產(chǎn)傳感器在低空飛行器方面尚未形成完整的供應(yīng)鏈。
結(jié)語
傳感器是低空飛行器的“眼睛”和“耳朵”，負(fù)責(zé)收集外部環(huán)境的信息。在萬億級(jí)別的低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，對(duì)傳感器有巨大的需求量，尤其是飛行姿態(tài)保持和自主導(dǎo)航方面，傳感器更是不可或缺的器件。不過，在通用航空傳感器方面，國產(chǎn)傳感器目前的競(jìng)爭(zhēng)力還比較弱，主要由國際廠商把持這一市場(chǎng)，和其他高端傳感器市場(chǎng)情況類似。當(dāng)然，國內(nèi)傳感器在低空飛行器領(lǐng)域的布局并非空白，也已經(jīng)有了一些進(jìn)展。
