此外, 日趋激烈的竞争促使业者被迫在市场尚未成形之前得抢先推出产品. 本文所探讨的, 主要在于射频与微波技术的诸多创新如何排除法规方面的障碍, 以及协助无人机制造商凸显其解决方案的差异性, 藉以抢攻市场商机.
随着工业机器人, 自动驾驶, 新推进技术, 以及省电系统的出现, 转移至UAV变成了水到渠成的演进. 无人飞行机具经设定后能执行各种过于危险, 费时, 或人员难以执行的工作, 这波幅度极大的跃进, 正带领着我们迈向更自动化与更高生产力的世界. UAV/UAS的概念并不算新, 早在有人飞机大量应用的时期就已出现类似型态的用途.
然而, 由于在材料科学, 推进, 功率与电池, 传感器, 以及软件技术能力的种种限制, 限缩了无人机在特定产业与用途的适用性. 以往只有军方才有足够的财力投入开发与使用无人机, 在派遣人员前赴现场须承担高度风险的环境中, 其能取代官兵执行侦搜情资的任务. 即使时至今日, 许多人还是会把无人机和经常在新闻中听到的军事任务联想在一起.
另一方面, 没有搭载装备(Bare Bone)的低成本无人机则迅速在休闲玩家与爱好者圈子掀起热潮. 无人机过去一直没有在商业用途广泛应用, 但随着产业界在零件技术与运算软件获得长足进展, 这样的局面正在逐渐扭转.
商用无人机市场看好
无人机市场的规模预计在2020年将成长到210亿美元. 目前市场版图的主力(约82%)都集中在军事方面的应用. 商用无人机的市场营收预计到2021年将来到25亿美元, 年成长率将达到19%.
商用与工业无人机市场存在种类众多的使用情境. 无人机正开拓出众多应用, 像是精准农业(喷洒农药), 地貌与环境监视, 基础设施监视(桥梁与水库), 公众安全监视, 商业货运, 边界管制, 油气管线监视, 以及其他众多用途等. 每个月都会有数十家新进企业推出产品与服务, 运用无人机技术解决各种商业问题. 简单地说, 商用UAV应用的前景几乎没有界线.
虽然无人机市场热度持续升温, 众多厂商着手拓展各式各样的用途, 像是亚马逊(Amazon)以及Alphabet控股公司旗下的Google, 业界直接面对的是诸多限制成长的挑战.
法规/人才成无人机发展障碍
美国联邦航空管理局(FAA)严令限制无人机在公共空域的使用. 根据2015年的法规, 重量低于55磅的无人机仅限于日间在操作者视线可及的范围内飞行, 也就是说当局禁止这类无人机在没有人员监控的状况下完全自主飞行. FAA为了防止意外与维持公众安全才制定这些规范. 从政府的立场来看, 由于这些无人机并没有配备可靠与精准的传感器, 以致衍生的风险过高, 不应放任它们在开放的公共场所飞行. 但当局仍然有开放一些空域(例如在宽阔的开放农地), 不过在大多数状况下, 鉴于有限的传感器技术以及尚未经过实际验证的传感器可靠度, FAA为了防范意外与维护公众安全, 于是采取较保守的立场.
除了法规形成的障碍外, 无人机市场的竞争也日趋激烈, 对厂商产生定价压力. 受到无人机成长潜力与商机所吸引, 全球目前有超过400家企业投入各种无人机的研发. 在此同时, 大多数厂商的焦点都放在凸显其硬件的差异化, 而不是强调自家无人机能创造的附加价值.
要让商用与消费型无人机被广泛使用, 这些飞行机具必须配备导航传感器, 协助它们安全且可靠地自主航行. 如同汽车与工业设备市场, 这些无线传感器当中有很多都是采用射频与微波技术. 然而现今大多数开发商用无人机的企业绝大多数都是新创公司, 旗下擅长射频与微波设计的人才数量有限. 就算是成立已久的工业设备OEM代工厂, 其虽然拥有一些射频专才, 但经常被迫必须快速评测, 设计, 以及制造出雷达传感器解决方案来迎合快速变迁的无人飞行载具市场.
欠缺射频人才以及市售雷达解决方案, 对业界形成了一种恶性循环. 无人机市场没有能力提供可靠的传感器来支持完全自主飞行, 反过头来导致政府主管部门无法松绑当前限制自主无人机的法令.
感测技术护无人机安全
Analog Devices认为无人机制造商有机会影响无人机飞行的主管当局, 方法就是采用射频, 微波, 以及毫米波技术, 并在无人机上搭载成熟的传感器以维持飞航的安全. 其中一个例子就是部署24GHz雷达, 这种技术堪称其中一项最基本且多用途的解决方案, 在许多使用情境中展现安全导航的能力, 因为它是全球认可的工业/科学/医疗(ISM)公用频段.
24GHz ISM频带雷达在全球各地都能使用, 不必取得执照, 能用来运作诸如汽车碰撞规避系统以及无线电高度计等设备. 该雷达频带还能用来侦测与追踪多个不同物体, 以及量测无人机离地飞行高度, 而这两项也正是安全无人机飞行最基本的功能.
另外需要注意一项常见误解, 就是77GHz雷达能和24GHz ISM雷达一起使用. 根据目前的法规, 77GHz频带是汽车专用, 适用对象不包含UAV/UAS. 从技术层面来说, 77GHz雷达的确提供更高的带宽, 有助于改进分辨率, 但根据目前的法规, 不能用在UAV上.
藉由提供在技术层面上能自主运行的解决方案, 制造商可藉此主动影响现有法规, 而不是被动等待当局规定业界该如何营运
为此无人机制造商必须采取三个步骤:
1.建立对雷达与其各种模式的基本认知.
2.了解构成完整雷达解决方案所需射频讯号链的各项要素.
3.采用适合的雷达解决方案, 这类方案提供完整的硬件配置与软件算法, 让他们能将产品更快推入市场.
以下将介绍这些步骤, 以及建构其中一种可行解决方案, 协助无人机制造商采用24GHz雷达开发碰撞规避与无线电高度计等应用.
. 建立对雷达与其各种模式的基本认知
汽车与工业设备市场经常运用雷达传感器来侦测, 量测以及追踪物体, 例如: 盲点侦测以及先进驾驶辅助系统(ADAS). 相较于光学/视觉或超音波传感器, 雷达传感器能精准侦测与量测物体, 甚至在灰尘, 烟, 雪, 雾, 或光线不佳等恶劣环境, 也能侦测到极远距离与极宽角度.
典型的射频/微波雷达能在各种模式下运作, 配合需要侦测与追踪的物体选用适合的模式.
. FMCW雷达模式量测多物体
在调频连续载波(FMCW)模式中, 雷达DVD-R/RW静止目标物的距离. 藉由调变频率波, 亦称为FMCW倾斜波(Ramp)或啾频(Chirp), 雷达即可量测到反射波的响应, 进而推算出目标物体的距离, 速度, 以及角度的分辨率
图1显示雷达传送时FMCW倾斜波或啾频产生机制, 以及整组重要雷达公式, 这些公式用来定义雷达传感器的设计信息:
图1 FMCW雷达概念
·距离分辨率:
取决于发送器载波扫掠带宽(Sweep Bandwidth); 发送器扫掠带宽越高, 雷达传感器的测距速度就越高.
·速度分辨率:
取决于雷达波照射时间(Dwell Time)与载波频率; 载波频率越高或照射时间越长, 速度分辨率就越高.
·角度分辨率:
取决于载波频率; 载波频率越高, 角度分辨率就越高.
相较于量测单一位置点的雷射侦测或摄影机侦测方法, 仅透过摄影机的视野撷取一幅二维影像, FMCW雷射不仅会持续量测, 还会对量测到的目标反射信息取多次数据的平均值, 之后统合量测物体的速度, 角度, 距离等讯息, 绘制出3D视图, 距离从数公分涵盖到数百公尺, 可量测单一物体以及多个物体.
. 距离-都普勒模式分析距离/速度
在距离-都普勒模式中, 可以分析出目标物的距离与速度. 距离-都普勒模式是其中一种最强大的运作模式, 因为它能测算二维傅立叶变换式, 藉此同时处理多个传输倾斜波(Transmit Ramp)或啾频. 经过处理后的距离-都普勒数据会显示在一个地图(Map), 藉此区分出不同速度的目标物, 就算它们和传感器之间的距离都一样也能区分出来. 这对区别多个处在不同方位且高速移动中的物体相当有用; 举例来说, 当许多车辆朝反方向行驶, 或是在超车时, 可以用这种方法来解算复杂的车流情境.
. 数字波束成型模式显示目标角度
在数字波束成型(DBF)模式中, 目标的距离与角度都能显示出来. 从四个频道收到的讯号用来估算出目标的方位角度. 显示的讯息反映出目标物在xy坐标面上的空间分布. 在DBF模式中, 系统的设定和FMCW模式相近, 但对中频(IF)降频转换讯号采取不同的处理方式. 计算出距离之后, 再根据四个接收频道的讯息解算出目标的方位角度.
在DBF模式中, 必须对雷达的前端系统进行校正, 以消除接收频道之间的定性相位变异. Analog Devices的雷达展示(Demorad)系统内含出厂前校正数据, 在运行GUI图形接口时就会加载, 接着系统会校正采样中频讯号, 之后再评估传感器量测到的数据.
因为高精准度, 用电较省以及微型尺寸等特色, 24GHz雷达广泛用在各商业与工业用途. 这些特色也使24GHz雷达适合用来协助大多数商用与消费型无人机制造商, 使其能减少酬载与用电的需求. 图2是一个完整的多频道雷达讯号链. 表1则是Analog Devices从位涵盖至天线的雷达解决方案, 让工程师能快速着手研发应用.
图2 Analog Devices的24 GHz多频道雷达解决方案
24GHz雷达优势多
在开发雷达传感器时, 接收器灵敏度每改进一个dB都会影响到侦测距离. 市面上大多数解决方案的焦点都放在降低成本上, 因此必须牺牲相位噪声方面的效能, 以及限缩频道的数量.
如此一来, 整体接收器讯噪比(SNR)就会下滑, 限制雷达侦测到较小物体或目标的能力, 以致侦测不到大型物体旁边的微小目标. 在实务面的雷达应用上, 经常会出现忙碌或壅塞的情境, 使得系统相位噪声不断累加, 导致雷达接收器的灵敏度下滑. 更高的系统噪声会遮蔽或隐藏体积较小的目标, 导致雷达侦测不到物体, 进而导致传感器的安全问题. 例如在侦测细树枝时可能被建筑物遮挡以致无法侦测. 大多数单频道, 单芯片, 低成本的解决方案都无法提供所需的效能来执行这样的辨识.
运用24GHz多频道平台, UAV制造商将能:
1.运用FMCW雷达侦测距物体的距离与速度, 最长侦测距离可达200公尺, 分辨率可达约60公分(若采特定应用专属的天线设计, 分辨率甚至可提升到15公分).
2.水平视角约120度, 垂直视角15度, 实际视野范围视天线数组设计而定; 结合多个数字波束的天线, 雷达即可运用DBF来计算出角度信息, 藉以拼出更宽的视野.
3.相较于传统低成本, 单频道雷达解决方案达到至少2倍的灵敏度, 最高1.5倍的侦测距离并降低功耗.
Demorad系统助开发效率
24GHz雷达Demorad系统是一款概念新颖的雷达评测平台解决方案, 内含开箱即用的软件范例, 让用户在短短数分钟内便可立即开始设计雷达传感器. 此外, Demorad让用户快速建构产品原型, 评估雷达研发的各项因素, 以及开发出理想的雷达传感器产品, 能量测各种实时信息, 例如目标/物体的存在, 移动, 方位角, 速度以及和传感器之间的距离.
系统硬件解决方案包含了射频天线, 一个完整的射频至基频讯号链以及DSP, 用户只须透过图形接口(GUI)软件以及雷达算法软件, 就能快速连接到笔电/PC.
用户透过这款套件, 只需几分钟就能连接至计算机, 并加载软件, 建构包括2D/3D雷达的高速傅立叶变换(FFT), 固定错误警报率(CFAR)以及分类算法, 做出完整雷达的原型产品, 以及加速推出搭载功能型雷达的新型无人机.
图3为24GHz Demorad套件的不同视角, 其内建有双频道发送器以及4频道接收器天线.
图3 Demorad 24GHz雷达平台解决方案
Demorad附有一个完整的GUI与DSP雷达支持功能函式库. Demorad内的雷达系统讯号链包含许多基础软件算法, 让设计者不必撰写程序代码就能展开研发工作. 运用这些内建软件算法, 使工程师可从主控端PC快速运用雷达来侦测与区分目标.
另外, 研发业者也可编辑现有的软件程序代码, 藉此侦测与区分其应用中的各种物体. Demorad为厂商提供更上一层楼的设计弹性, 不论是否拥有射频设计的经验, 都能快速开发应用程序, 藉以促成无人机的安全飞航.
UAV/UAS市场不仅成长快速, 还为许多崭新商业应用带来了无穷的潜能. 但要实现此一愿景, 无人机制造商必须带领产业, 运用射频, 微波, 以及毫米波传感器, 证明自己的无人机能安全无虞地自主飞行. 此外, 传感器技术的局势正快速演变, 包括光达(LiDAR), 飞时测距(ToF), 以及超音波在内的新科技也逐渐崛起.
无人机制造商应持续关注这些新颖解决方案, 藉以为其无人机选用最新技术. 而在评估这些技术时, 关键评鉴标准应纳入雷达的效能以及多元化功能, 而不应只是关心硬件的成本.