在國外,無人機在軍事域已使用一段時間,以維護國土安全為主;在某些專業民用領域,如農業,也已應用在噴灑農藥等,進而維護農夫的人身安全。不過,在小型、定位偏向消費性電子的無人機開始吸引許多消費者眼球後,無人機成為許多展會或是廠商下一個物聯網(IoT)市場標的,智慧型手機、手錶或其他裝置也開始結合無人機,期可創造更好的銷售量。但隨著許多人「擁有」無人機,並在一些公共場合讓無人機飛上天,許多公共安全問題也隨之而來,因此無人機提升其飛航安全已成為首要的課題。

隨著科技日新月異與半導體元件的不斷進展,讓無人機變得更具智慧,是相關業者共同的目標。而更加智慧的無人機,不僅可帶給消費者或專業人士更好的使用經驗,也能進一步提升其安全性,例如主動避障等。

無人機市場魅力狂燒

2012年時,美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Authority,FAA)針對無人機的數量曾經預估,到2020年美國無人機的數量將可達15,000架,但顯然FAA低估了無人機的魅力。現階段美國每個月無人機的銷售量不僅遠遠超過這個數字,甚至無人機市場還吸引了許多半導體電子業者的競相爭逐。

其中,無人機市場發展最為蓬勃的當屬中國大陸,不僅「餵養」出全球最大、市佔率高達50%的無人機製造商大疆創新(DJI);研究單位甚至預估,到2025年,中國大陸無人機市場總規模將達人民幣750億元,年均增速可望超過50%,而此誘人的市場規模統計也吸引許多相關業者積極進軍中國大陸。

根據UAV Drones Market市場研究報告指出,2020年以前全球主要的無人機市場大約達到55.9億美元。無人機的熱潮也可從今年消費性電子展(CES 2016)與其他重要消費性產業大展中,窺知一二。

聯詠科技(Novatek)iVOT產品事業部副部經理楊順帆表示,近期無人機受到媒體與業者高度關切,不但在2013~2015年有非常好的增長,而且在商用或專業民用,以及消費級市場皆取得很好的成績,也吸引眾多半導體或系統業者的加入,預期讓2016年無人機市場更加競爭與白熱化,未來無人機市場不排除發生購併潮。

另外,2015年開始,知名處理器晶片供應商如高通(Qualcomm)、英特爾(Intel)、輝達(NVIDIA)等也正式宣佈進軍無人機市場,並推出無人機專用的高整合智慧晶片產品。一方面因晶片商提供的解決方案夠完整,可協助業者降低進入無人機市場的技術門檻;另一方面,這些新的處理器也讓無人機可進一步小型化及智慧化,更重要的是成本的降低,讓更多消費者可以輕易入手。

愛盛科技(iSentek)董事長賴孟煌則認為,無人機具備空拍的特色,加上價格從相當‘高貴’下滑到消費者普遍負擔的起的範圍內,因此促使無人機此一存在已久的市場變得相當火熱。

20160901 Drone NT31P1 2014~2021年商用無人機市場規模 (來源:拓墣產業研究所)

提供不同「視角」 吸引消費者關注

過去無人機在軍用領域除了投遞炸彈外,最重要的就是偵查環境的工作,因此無人機幾乎都裝上了‘眼睛’,也就是攝影鏡頭。無論在軍用或是專業民用領域上,無人機具備‘視力’是不可或缺的條件,而消費型無人機若是配備攝影功能,帶給消費者不同的‘視角’感受,會是相當吸引消費者目光的新商品。

賴孟煌指出,雖然民用無人機的發展腳步快於商用或消費性應用,代替人力進行一些較危險的工作,如噴灑農藥或肥料,甚至無人機在商用領域還搖身變為快遞機等。不過,相較於專用型無人機,消費型無人機對一般普羅大眾來說,不僅可與生活結合,還能夠提供不同的自拍角度,與在天空上的視野,可以說為消費者提供的新的、吸引人的價值,因此未來消費型無人機在市場上應該也能佔有一席之地。

另一方面,無論從會飛的手機或是會飛的機器人角度來看,無人機本身就是深具話題與新穎性的產品。楊順帆認為,這幾年來,無人機持續改善令人詬病的問題,一些技術如手動拋飛、雙目視覺、自動懸停等功能的實現也使得無人機操作朝向更加「傻瓜化」。現在無人機已不再是只有專家或玩家才能駕馭的設備,已逐漸變成是人人皆有可能輕鬆掌控的娛樂裝置,不但有想像空間又有無窮的樂趣,在消費市場必然會持續受到矚目。更重要的是,消費型也就是小型無人機每個人都可以使用,現代人對自拍或是在社群媒體直播消息相當熱衷,消費型無人機將是相當好的新媒介。

不僅如此,無人機在物聯網世界中,也可以是一個連網的裝置,進一步與其他物聯網設備溝通。舉例來說,恩智浦(NXP)擘畫未來自動駕駛汽車時,即將無人機整合在內,負責即時傳遞路況,或是擔任快遞驚喜的工具。

楊順帆認為,無人機是一種需要機電整合的技術,這與物聯網應用中的機器人/手臂機電整合技術相近,而這也是晶片商有志一同進入無人機領域的主因,藉由先投資、練兵,進而累積物聯網連網機電裝置的發展能力。

專業或娛樂都得顧及安全性

無論是專業或是消費性無人機,安全性都是未來無人機相當重要的課題。有鑑於無人機飛安事故頻傳,在台灣就曾經發生過無人機在知名景點日月潭墜毀砸傷遊客;因為使用者操作不當使無人機直接撞上101大樓…等意外;無人機發展較快的國外,更是有‘花樣百出’的事故,因此除了法規的約束之外,無人機的智慧化是另一個提升安全性的重要途徑。

楊順帆表示,法規規範應區分為商用或是消費型無人機,畢竟兩者使用情境有所不同,但相關標準與法規對於安全性的提升來說相當必要,而法規對於產業的健康發展也有所助益。

賴孟煌指出,無人機飛安事件頻傳的其中一項原因是,機械設計不夠好。這肇因於無人機市場起飛,廠商一窩蜂進入,為了快速讓產品上市而忽略了機械設計上的最佳化,因此美國FAA已著手制定法規要求無人機須採記名制度,並透過GPS衛星定位防止無人機飛入禁航區。此外還可以無人機規格如電池續航力、飛行距離來進一步管理與限制飛航地區。

另外,台灣近期也針對無人機禁飛區域制訂相關法令。亦即日月潭國家風景區管理處擬訂《日月潭國家風景區轄區遙控無人機使用注意事項》,已確認潭區4大碼頭、向山及水社壩共6個區塊,將公告訂為限制飛航區域,違反者最高開罰新台幣100萬元。雖然這僅是針對某個風景區所提出的無人機禁飛規則,但已邁出第一步。

關鍵元件賦予無人機更多智慧與安全性

除了法規、無人機機械設計之外,半導體元件也能為無人機的安全性把關。楊順帆說明,相較於商用或專業民用無人機,消費型無人機對於元件的規格不需達成車規或軍規等級,若是在自動避障與室內懸停功能能夠做到相當精準,即可確保一定的安全性。

先不論機械設計好與壞的問題,若單就無人機飛行安全這部份來說,擔任大腦的微控制器(MCU)或微處理器,搭配精密的感測器即能進一步提升無人機的飛行智慧。賴孟煌進一步說明,9軸或10軸的動作感測器、距離/光感測器、磁性感測器、角度感測器,甚至電流感測器,都與無人機飛行安全有密切的關係。現階段無人機業者相當看重的自動避障與懸停功能,則需要距離/光感測器、磁性感測器。

磁性感測器可協助外型設計為四角或八角的無人機在飛行時,判斷航向該朝向哪個方位。還可在飛行時計算出最接近於直線的距離,避免折線前進浪費油料;最後在定點時,磁性感測器還能幫助無人機做出懸停與維持水平狀態,讓使用者在拍照或是錄影時能以最佳角度進行。

要做好自動避障功能,距離/光感測器就相當重要。楊順帆指出,目前使用雙目電腦視覺(CV)或是用紅外線(IR)三角定位技術做出深度與位置訊息是最熱門的兩種避障技術基礎,關鍵的元件是具備高性能CV運算能力的系統單晶片(SoC)或是紅外線感測器。

除了紅外線感測器之外,也有業者認為利用雷射的飛時測距感測器(ToF),將較一般傳統紅外線感測器精準度更高,能為無人機的飛行提供更佳的避障效果。意法半導體(STMicroelectronics)影像事業部技術行銷經理林國志表示,以雷射進行測距的好處是可提供精確到毫米(mm)距離的測量,且目標物體的顏色和反射率不會影響到測距結果。

事實上,太陽光對/ToF光感測器的精確度影響相當的大,這也考驗著晶片供應商的研發能力,若能盡其所能地發展出精準度高;且能同時偵測多點、多物體,並即時回報的產品,對於無人機的發展將有正面綜效。

嵌入式視覺、演算法不可或缺

不僅高精確度感測器與高效能的主控制器可為無人機安全性再提升一層,嵌入式視覺與飛航時如何透過感測器收集的資訊進一步達到避障功能的演算法,也扮演重要角色。

賴孟煌認為,無人機飛行控制的部份,不僅扮演無人機唯一感官功能的感測器得相當靈敏,演算法和通訊技術的良窳也不能忽視,否則空有感測器,無人機卻無法有效地透過資訊來避開障礙物,這樣的無人機應該無法真正發揮其專業或娛樂效果。

因應用所需,目前專業級無人機對於嵌入式視覺,也就是機器視覺的需求較大,但未來消費型無人機也會因為結合虛擬實境(VR)或擴增實境(AR)等應用,或是進行智慧化的演進時,加入嵌入式視覺功能,已帶給消費者更不同的使用體驗。

20160901 Drone NT31P2 結合無人機機器視覺與AR,消費者可得知更多環境訊息 來源:愛盛科技

賽靈思(Xilinx)工業、科學、醫療(ISM)技術行銷資深經理羅霖表示,現階段一些專業或商用級無人機已開始加入AR/VR,即須具備360度視角的能力,以讓專業無人機到達需偵測的現場時,更智慧的知道自己需要監控哪些區域,並做出即時分析與判斷。

此外,在避障功能方面,也必須仰賴嵌入式視覺功能。舉例來說,大疆創新在其新一代無人機中內建4K攝影機來拍攝或避障,嵌入式視覺的視覺運算分析功能即不可或缺。羅霖強調,嵌入式視覺分析能力遇到需處理4K每秒30幀影像的狀況時,其所需的處理能力已遠遠超過微處理器或是微控制器的能力,因此現場可編程閘陣列(FPGA)會是較佳的選擇。

未來發展—更智慧化

因應各種特殊應用所需,專業或商用無人機市場已逐漸起飛;而消費型無人機隨著易用度的改善,以及價格更為親民、帶來更多娛樂效果,預期有將有不錯的市場前景。楊順帆認為,消費級無人機最大的應用還是在航拍,其中以自拍娛樂為主的小型無人機市場前景可期,而要讓消費者更能接受的消費型無人機,條件之一就是更加的智慧。

消費者無人機最大的使用更傾向於娛樂自拍,所以如何做得更智慧,某種程度上就是想辦法讓無人機自拍功能更傻瓜,與更容易操作,就如同幾年前風靡一時的數位傻瓜相機。楊順帆強調,目前已可看到一些突破傳統的航拍功能的嘗試,例如自動跟拍、目標物體追蹤、人臉辨識等,而更容易操作功能則包括自動繞飛、語音手勢控制、物體偵測、室內戶外懸停、自主返航以及自動避障。換句話說,更智慧的無人機就是讓其具備‘視覺’能力,包括環境感知並辨識周圍,以及更容易自拍的能力。而要實現這些能力關鍵的元件依然是具備高性能的CV運算能力SoC,以及搭配的多樣感測器。

賴孟煌則強調,只要和個人生活緊密結合,跳脫無人機專業的領域,消費型無人機的市場就能大鳴大放。

而看準無人機市場的發展,台灣晶片供應商皆已開始佈局,並取得不錯的市場成果。除了自家元件技術的發展外,還跟處理器業者如高通進一步合作;抑或者將自家感測器定義為感測器中樞(Sensor Hub),整合所有感測器與影像相關元件,成為無人機在影像處理上的另一顆大腦。台灣業者的努力,也證明台灣廠商不會在無人機市場落人之後。