無人機搭配嵌入式系統整合 擴展空間導航、智能迴避障礙多元應用

無人機的雲台設計左右最終空拍影像品質，圖為Hexo+無人空拍機的拍攝升級雲台模組。Hexo+

美國聯邦航空總署預測2020年將有700萬組無人機在美國領空飛行，無人機技術愈發成熟，已從個人玩家的小嗜好逐漸發展至商業用途，除可用於空中拍攝應用外，進階可拓展貨物酬載、環境探測、高危高空作業等應用情境。

根據美國聯邦航空總署FAA預測，無人機飛行器將呈現急遽成長，目前以美國領空已有多達250萬架無人機航空器經常性地進行飛行應用，預測2020年將可成長至700萬架，以目前250萬架無人機應用檢視，其中有多達150萬架次屬於民間娛樂或個人嗜好用途，約50萬架屬於商業運轉用途的無人航空器，商業使用的無人航空器將有逐步增長趨勢。

無人機航空器使用規範  成為影響市場發展的重要關鍵

以美國市場為例，FAA對無人機航空器有嚴苛的限制要求，必須透過用戶經正式申請核准後、才准予放飛，雖說管制嚴格，但目前現有美國250萬架次商用/民用無人航空器也僅有40萬架次經正式登錄，登錄數量較少一部分是因為法規要求較嚴苛所致，包括法規開放無人機航空器僅可在白天放飛、且不能飛在人群上空，同時還要求無人機僅能在遙控者視線可及的區域放飛等，等於是箝制了無人機航空器在商業化運轉、應用的潛能。

各國也開始積極重視無人機航空器的管制問題，管制過多怕影響商業運轉的應用彈性，管制過鬆散又擔心無序放飛無人機航空器反倒成為危險隱憂，但無人機航空器在美國相關法規方向會以逐步放寬方向發展，商業應用發展可期。

這股無人機航空器風潮，也讓產業持續產生質變，從早期應用以電影拍攝、空中拍攝為主，到現在用於工廠生產設備視察、農作噴藥、保險的災後統計評估、房產業的物產拍攝等，使用範圍不僅持續擴展，參與無人機航空器研發生產的廠商也越來越多元。例如，無人機的無線傳輸、圖像傳輸、導航圖資、智能分析等進階應用，相繼有網通晶片業者、電子業者積極搶進應用，而看準無人機的空中貨物酬載潛能，大型網路購物業者也嘗試導入無人機，串接電子商務與用戶間商品遞送的最後一哩路。

CES2016消費性電子展  無人航空器相關技術/產品競相推出

大批科技廠商介入，可以從2016 CES消費性電子展加強無人機航空器展示商品與空間就能看出科技業的重視程度，例如，Qualcomm通訊晶片大廠就推出Snapdragon Flight無人機航空器開發平台，以智慧手機運算晶片Snapdragon為基礎擴展無人機應用環境的運算、分析平台，成為嵌入式或是智慧手機晶片為無人機航空器應用SoC重點關注投入的整合技術晶片的晶片業者，此外如無人機航空器大廠DJI與Yuneec、Intel、HEXO+等公司，就展出相關無人機應用與新設計機型。

觀察Qualcomm推出的Snapdragon Flight無人機航空器開發平台，主要鎖定Autonomous Navigation、4K Video、Optical Flow Camera、Stereo Cameras、Visual Inertial Odometry、Motion Planning等重點功能，在單晶片平台上提供無人機開發商一次購足的核心智能技術運算平台，加上SoC具備小體積、高度整合再搭配晶片等級的微縮尺寸，讓複雜的電子電路以單晶片實現，更可滿足無人機航空器積極減輕配重的設計方向。

4K攝影成為空拍應用主流  多鏡頭、進階感測攝影技術以環境圖像分析應用為主

其中尤其是4K攝影技術的運算方案，以往無人機多半採搭載商用攝影機或高階攝影機的方案進行整合，雖然對於電影拍攝或是空拍用無人機航空器而言，讓航空器可以銜接擴充商用攝影機，反而可以說是產品的賣點，但對於貨物酬載、民用或是拍攝非核心應用的空拍用途，搭載商用攝影機基本上只是徒增設備重量、也增加了系統整合的複雜度，而使用SoC無人機用嵌入式單晶片進行系統整合，可以將原本搭載外掛商用攝影機的方式，將攝影機配置減少至僅需要一組攝影機拍攝鏡頭模組就能實現4K攝影，大幅減重同時又能增加系統高度整合效用。

而Snapdragon Flight平台，善用Qualcomm在通訊晶片、導航晶片的市場經驗，在Snapdragon Flight平台提供了影像分析、結合GPS定位分析的整合應用，也就是說無人機飛行器在基於Snapdragon 801嵌入式處理器為基礎，即可透過影像分析輔助GPS定位，以自動飛行軌跡規劃進行移動飛行，即便無人機飛行器處於大量障礙物的環境下，也能透過即時影像分析規劃最佳飛行路徑、自動避開障礙物飛行至目標點。其所使用的影像感測技術不只一種，包含Qualcomm自行研發的Visual-Inertial Odometry(視像兼慣性測程法)，結合攝影機拍攝影像即時分析與陀螺儀、加速度計、磁力計...等感應器偵測數據進行分析，避免自動飛行應用過度依賴GPS、GNSS定位反而造成系統設計限制。

有趣的是，Qualcomm Snapdragon Flight平台在其宣傳影片中，還使用Snapdragon 801嵌入式處理器建置無人機飛行器樣機，就能以大量感測器與影像分析技術，做到智能化飛行、一鍵自動返航等功能，即便在GPS衛星訊號接收品質不佳狀況下也能輕鬆辦到智能導航應用。

Snapdragon Flight平台在性能與高度整合功能上也能滿足新一代無人機飛行器的開發設計需求，例如開發平台整合了4K(4,096 x 2,160)攝影錄製功能模組、Optical Flow Camera可以測量距地高度或室內定位輔助、Stereo Cameras可用來增強拍攝影像的深度感測分析、Motion Planning可針對大量感測結果規畫最佳移動路徑等，此外Snapdragon Flight平台還具備智慧手機行動裝置的低功耗節能效用，對於無人機航空器有限的電池裝載酬載重量更能發揮最佳整合效益。

進階電子控制技術  影響無人機性能與功用

除嵌入式系統外，另再檢視無人機飛行器的幾個電子技術整合重點項目，即包含飛行控制系統(Flight Control System)、推動系統(Propulsion System)、遙控器(Remote Controller or Ground Station)、攝影機及雲台(Gimbal)控制等。飛行控制系統一般會內置嵌入式控制器、再搭配如陀螺儀、加速度計、氣壓計(高度測量)、磁力計...等感測器，無人機航空器基本為依靠感測器進行控制多軸馬達驅動力道，達到穩定機身的設計目的，同時搭配GPS定位與氣壓計的測高數據，就能讓無人機航空器限制於固定滯空高度與GPS定位搭建的虛擬電子圍籬範圍內進行操控。

無人機的推動系統為由螺旋槳翼與電動馬達組成，馬達帶動螺旋槳翼產生反作用力驅動無人機升空與飛行移動，搭配系統內的電子驅動控制器(Electronic Speed Control)調節馬達驅動的轉速和動力驅動方向。遙控器則是讓無人機操控者經由遠端控制進行無人機的飛行動作操控。

攝影機與雲台目前是無人機飛行器的重點配置，因為現有無人機應用多以空拍用途為主，攝影機有分整合式與可搭配酬載扣具於無人機裝載商用攝影機裝置的方式實現，整合型設計可能會受限攝影機的拍攝規格、存儲架構限制，而可酬載商用攝影機的機種也不是任何攝影機都能裝上去，只能裝載限制酬載重量以內的攝影機。

而雲台設計目的在於，提供無人機飛行器進行空拍時，進一步控制拍攝鏡頭、拍攝方向使用，進階雲台還會整合防抖動、攝影機穩定系統，甚至於提供拍攝點追蹤定位等進行用途，若使用具穩定拍攝作用的智能雲台，對於攝影機的酬載重量限制會更多，能使用的商用攝影機模組選擇就會相對受到限制。目前搭配無人機飛行器的攝影機，主要有使用GoPro或相近的運動攝影機(Action Camera)，進階一點的應用則使用數位單眼相機(DSLR)甚至是更進階的M4/3無反光鏡的數位相機機身，達到更高標準的空中航空拍攝品質。