無人機的運動和導航系統依賴多種感測器，需依賴AI和機器學習技術來處理影像數據，確保高效能運作。理想的感測器應具備高保真度、寬動態範圍和視野補償能力，以提升無人機的效能和降低成本。
無人機已廣泛應用於娛樂產業，如電視節目、電影製作和業餘攝影領域，甚至曾被當成玩具，風靡一時。由於無人機能夠深入難以觸及的區域，無人機的應用亦逐步拓展至工業檢測、物流配送、安防監控等專業場景。然而卻沒有多少人知道，支撐無人機運行的核心元件是視覺系統。在深入探討這一主題之前，先釐清無人機的定義、梳理其多元應用場景，並解析其快速普及的背後邏輯。最後，將探討廠商如何憑藉技術革新，推動無人機的視覺系統升級。
無人機常見類型與應用場景
無人機屬於無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)，亦稱為無人航空系統(Unmanned Aircraft System, UAS)，少數情況下也被稱作遠端駕駛航空器(Remotely Piloted Aircrafts, RPA)。無需駕駛即可透過系統實現自主導航運行。
無人機分為三種類型：固定翼無人機、單旋翼/多旋翼無人機和混合旋翼無人機。每類機型的用途各不相同，與各自的預期應用場景高度契合(圖1)。
圖1 無人機的類型及其應用
固定翼無人機通常用於重型載荷運輸及長航時飛行任務，部署場景包括情報、監視與偵察(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance, ISR)任務、作戰行動、巡飛彈藥部署、地圖測繪及科研活動等。
單旋翼/多旋翼無人機應用最為廣泛，工業應用場景涵蓋常規倉儲、設備巡檢乃至物流配送等領域。由於這類機型適用的場景多樣，因此需要高度最佳化的機電方案來滿足不同需求。
混合旋翼無人機則融合了上述兩類機型的優勢，由於具備垂直起降(Vertical Take-Off and Landing, VTOL)能力，應用場景更為靈活，尤其適用於空間受限的區域。所以不難理解，大多數物流配送無人機會選用這種類型。
無人機運動與導航系統
無人機搭載多種用於運動和導航的感測器，包括加速度計、陀螺儀和磁力計(統稱為慣性測量單元，即IMU)、氣壓計等。它們運用各種演算法與技術，如光流(藉由深度感測器輔助)、同步定位與地圖建構(Simultaneous localization and mapping, SLAM)和視覺里程計。儘管這些感測器性能良好，但往往難以在合理的成本和最佳尺寸範圍內，達到所需的精確度與準確度。在長時間飛行中，這一問題會進一步加劇，進而導致需要使用昂貴的電池，或根據電池充放電週期而縮短飛行時長。
無人機視覺系統
影像感測器為上述的感測器提供了輔助，明顯強化了其操作性能，使無人機成為高準確度、高精確度的設備。視覺系統主要包含兩類元件：雲台(也稱為有效載荷)和視覺導航系統(Vision Navigation Systems, VNS)。
雲台可提供第一人稱視角(First Person View, FPV)[1]，通常由多種影像感測器整合而成，涵蓋寬廣的電磁波譜範圍(特殊情況下包含紫外線)、300nm~1000nm波段的常規CMOS影像感測器、延伸至2000nm和2000nm以上的短波紅外(Short-Wave Infra-Red, SWIR)感測器、中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)感測器。
視覺導航系統則用於提供導航指引、目標識別及防撞功能；通常由低成本的低解析度影像感測器構成，並結合IMU與其他感測器資料，透過機器視覺技術打造完整的自主導航方案。
視覺系統的重要性
正如前文所述，無人機可在室內和室外環境中運行。而這些環境可能充滿挑戰，由於光照變化差異大，且在粉塵、霧氣、煙霧及全然漆黑的環境下，能見度也會受到嚴重限制。無人機系統試圖運用大量人工智慧(AI)和機器學習(ML)演算法來處理影像數據，同時結合前述技術所提供的輔助，以實現高效能的飛行器運作。而這一切的前提是該無人機具備低功耗特性，且能支援長距離或長續航能力作業。
輸入這些演算法中的資料必須具備高保真度和高度細節，但在某些情況下，只需提供必要資訊，以實現高效處理。AI/ML的訓練時間需要縮短，推理過程則需快速且具備高準確度與精確度。無論無人機在何種環境下運行，都必須保證影像品質能夠滿足這些要求。
僅能擷取影像並提交資訊以供後端處理的感測器，遠不足以支撐這些設備的高品質運行，在大多數情況下，甚至會使其部署目的落空。理想的感測器應具備以下能力：縮小尺寸的同時保留關鍵區域的完整細節，並具備寬動態範圍以應對同一幅畫面中的明暗光線；將影像中的寄生效應降至最低或消除；針對粉塵、霧氣、煙霧環境進行視野補償，並輔以高深度解析度進行影像處理，如此才能大幅提升無人機的效能，使其成為高度最佳化的設備。
這些能力能夠大幅降低影像重建、分析過程中對資源的需求，包括處理核心、圖形處理器(GPU)、晶片內外的記憶體、匯流排架構以及電源管理等，並加快決策過程。同時也降低了整體系統的物料清單(Bill of Material, BOM)成本，特別是考慮到如今的無人機已能搭載超過10個以上的影像感測器。另一方面，在相同的資源配置下，若能支援更深入的分析和更複雜的演算法，以促成更有效的決策，便能使無人機在這個競爭激烈的領域中脫穎而出。
(本文由onsemi提供)
參．考．資．料
[1]就技術而言，雲台(Gimbal)指的是承載並穩定特定載荷的機械結構，但在應用中，整個整合裝置也常被稱為雲台。