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科技之翼/打造國產高階無人機感測晶片

無人機示意圖。路透
無人機示意圖。路透

【撰文/陳怡如】

想讓無人機飛得穩定,位置準確,控制飛行的關鍵技術不可少,其中又以六軸慣性感測晶片和自主姿態/導航系統這2項技術最為重要。工研院率先投入相關晶片與模組研發,打造國產自主的無人機感測晶片以及感測應用模組。

上山下海的無人機,常會遇到強風吹移或電磁干擾等挑戰,想讓無人機完美飛行,六軸慣性感測晶片和自主導航/姿態感測模組扮演關鍵角色。目前臺灣並無廠商投入相關研發,只能向國外購買,高階感測晶片在各國是受到嚴格的出口管制,就會「想買也買不到」,因此,工研院率先投入,建立自主研發的能量,補足技術缺口,期建立臺灣無人機感測晶片自主能量。

工研院智慧感測與系統科技中心組長蘇中源介紹,六軸慣性感測晶片也就是無人機中的慣性測量單元(IMU),包含三軸加速度計和三軸陀螺儀,在空間中有6個自由度,測量物體在三維空間中的角速度和加速度,以此計算出物體的姿態,可檢測無人機俯仰、滾轉和偏航等屬性變化,以達到飛行姿態控制的效用。

更高階一點的IMU,甚至可以用來輔助定位,達到自主慣性導航(INS)。 當無人機GPS訊號受到干擾或行經隧道、橋梁訊號被遮蔽時,高階IMU可計算飛機位置,由於是依靠無人機內部晶片計算,因此不會受到GPS通訊干擾。

精度更上一層樓 打造定位等級感測晶片

事實上,工研院並非從零開始。蘇中源指出,早在十多年前,工研院就已投入開發IMU晶片,應用在手機、遊戲機等消費性電子產品,後續也用在工業上。瞄準無人機的商機,近年來工研院開始切入無人機的IMU晶片開發,「從商規、工規,到現在無人機姿態控制和定位導航等級,甚至未來軍規的需求,都會不斷滿足。」

比起過去的IMU晶片,飛上天的無人機,操作環境差異極大,可能飛至山區或郊外,不可控的因素更多,如強風、振動、溫差,甚至還會面臨訊號遮蔽或電磁干擾,加上無人機速度快,更加考驗感測晶片的靈敏度,尤其要開發更高階的定位功能時,「可靠度和精度都要再高一層級。」

以影響定位精度的Q值(品質因子)來說,以前要求的數值可能只要數千,現在要到上萬,工研院從設計和製程兩個方向下手。 比如低損耗結構設計,或是震動的結構,提高定位準度,此外也用電路加軟體的方式進行補償;在製程上的控制和製作方式也要求更高精度。

針對電磁干擾,工研院透過異質整合封裝的方式,將晶片封裝在一個外殼中,達到阻隔效果。但感測器的異質封裝也和傳統IC的異質封裝不太相同,雖然晶片封裝,但感測器在裡頭仍要接收外部訊號,並在內部正常運作,光是感測器的異質封裝技術,工研院也已投入1、20年。

蘇中源指出,正因為工研院在IMU晶片研發上扎根已久,累積非常完整的專利保護,包含元件結構設計、軟體電路補償和製程手法,這也是工研院與國外相比的技術優勢。目前就模擬結果來看,定位精度至少比一般姿態控制的IMU提升30倍以上,已達導航等級。

目前在飛行穩定姿態控制的IMU晶片的研發進度上,工研院已和國內業者一起合作,預計在2025年底或2026年初,就會有第一代國產自主產品出現,現階段團隊更積極投入高階的多感測融合定位晶片(包含加速度計、陀螺儀、磁力計等)以及自主導航模組開發。

整合AI 姿態判別更精準

無人機上常使用的姿態/航向參考系統(AHRS),其實也和IMU息息相關。蘇中源指出,AHRS主要核心除了IMU,還多了三軸磁力計,透過內建的運算模組,計算加速度計、陀螺儀和磁力計等數據,協助無人機判別方位,比起一般IMU的姿態控制,更多了方向性。

過去國外直接把IMU整合成AHRS模組直接販售,臺灣業者很難更改底層軟體,在應用時就會受到諸多限制,甚至較高規格的AHRS,也屬於出口管制,無法入手,因此在投入無人機晶片時,工研院也一併將AHRS模組納入研發。

面對國外成熟的AHRS研發專利,工研院要如何「繞道」成了最大挑戰。團隊的秘密武器是,將AI晶片整合進AHRS模組裡,透過自行開發的演算模型,更快分析無人機姿態,並即時做出應對。比如當一陣狂風吹來,AI馬上就能判斷這陣大風可能會對飛機造成何種偏移,立刻進行補償。目前工研院也和AI晶片和模組業者合作,一同打造國產化的AI-AHRS定位模組。

蘇中源坦言,國外可以做到如此高階無人機感測晶片的廠商不多,大多掌握在法國、美國等少數幾個大國身上,若未來工研院研發成功,臺灣也能躋身無人機高階應用的國家之一。這對臺灣來說非常重要,不僅是因為無人機是未來熱門產業,「更關係到晶片自主或去紅供應鏈議題,我們希望打造臺灣無人機的晶片產業!」

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