無人機和平衡架 — 高精度編碼器提升航空系統性能

無人機和平衡架 — 以高精度編碼器提升航空系統性能

隨著無人機（UAV）技術迅速發展，從商業航拍、地形測繪到農業監控與工業巡檢，無人機的應用範圍不斷擴展。其中，搭載高性能平衡架（Gimbal）的無人機，能夠靈活承載多種載具，例如光學鏡頭、感測模組與測繪設備，大幅提升影像穩定性與數據精準度，進一步強化任務執行的可靠性與效率。

編碼器在無人機和平衡架中的應用

通過即時提供馬達與載具有關運動、方向和穩定性的位置回饋，高精度編碼器（Encoder）在無人機和平衡架應用中扮演著不可或缺的角色，確保飛行器在不同環境條件下依然維持卓越的穩定性、可靠性與高精度控制。編碼器在無人機和平衡架中的應用示例包括：

無人機應用

1. 穩定飛行控制

無人機在飛行過程中必須即時調整馬達輸出，才能應對氣流變化、負載變動或障礙物閃避等挑戰。此時，編碼器提供的即時位置與方向回饋數據成為飛控系統（Flight Controller）精密判斷與快速修正的基礎。

飛行控制系統依賴這些回饋數據動態調整各個馬達的轉速與角度，從而達成穩定懸停、流暢移動及快速反應。

AksIM™ 絕對式磁性編碼器不僅能以非接觸方式提供高解析度的角度回饋，還具備高速反應與極佳耐用性，特別適合用於體積受限、重量要求嚴苛的小型無人機平台。

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Illustration of a drone designed for sites surveying and area inspection.jpg

設計用於區域檢測與場地勘測的無人機

2. 無人機導航和定位

全球導航衛星系統（GNSS，如 GPS）廣泛應用於無人機定位，但在室內環境、城市峽谷或電磁干擾強烈地區，GNSS 訊號可能出現誤差或中斷。透過結合高精度編碼器與機載感測器（如 IMU、光學流感測器）進行位置推估（Dead Reckoning），可大幅提升無人機在弱訊號或遮蔽環境下的自主導航與定位能力。

AksIM-2™ 系列絕對式編碼器以極低延遲與高可靠度著稱，成為強化無人機導航系統不可或缺的核心組件。

3. 貨物承載與平衡架控制

無人機在執行空拍、量測或運輸任務時，往往需要搭載價值昂貴且對穩定度要求極高的設備。平衡架（Gimbal）透過高速回饋馬達控制即時修正飛行中產生的震動或偏移，確保影像拍攝清晰穩定、量測數據精確無誤。高精度編碼器在平衡架上的應用不僅提升了即時補償速度，也讓控制系統能夠更靈敏地感知並修正細微位移。

這關鍵技術讓無人機在航拍攝影、三維地形測繪、基礎建設檢測等領域展現出超乎以往的作業效能。

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配送無人機是一種無人駕駛飛行器 (UAV)，專門用於運輸各類包裹，如醫療用品、食品等

平衡架應用

平衡架（Gimbal）系統廣泛應用於無人機（UAV）、車輛、船隻及手持式裝置中，其核心目的是於各種移動環境下穩定攝影機或其他載具，確保畫面與數據收集的高品質與高精度。在這些應用中，高精度編碼器扮演著關鍵角色，透過即時位置回饋，支援平衡架達成流暢運動、精確定位與目標追蹤等功能，提升整體操作體驗與任務成功率。

1. 穩定攝影機

在無人機、車載平台或手持設備上，平衡架系統透過三軸（滾擺角 Roll、俯仰角 Pitch、扭擺角 Yaw）精準控制，令攝影機即便在移動或震動環境中仍能穩定拍攝。高精度編碼器安裝於各軸承處，能即時量測每個軸向的角度與旋轉位置，確保攝影機持續維持最佳拍攝姿態。

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配備 Renishaw RESOLUTE™ 絕對式光學尺系統的平衡架攝影機示意圖

RESOLUTE™ 絕對式光學尺結合高速、高解析度與絕對位置讀取功能，於通電後能即時獲得精準位置資訊，無需任何初始運動。這使得平衡架系統能夠在俯仰軸（Elevation）與方位軸（Azimuth）上實現平穩流暢的旋轉控制，提供卓越的影像穩定性與可靠性。

2. 平穩運動

編碼器能提供平衡架控制器即時、精細的位移回饋，系統可根據這些資訊計算反向補償動作，有效抵消意外產生的微震或移動。即便在快速移動或劇烈晃動的情境下，也能藉此技術確保攝影機拍攝畫面流暢自然，或精確穩定地控制其他載荷指向。

3. 全景攝影

在執行全景攝影任務時，攝影機必須沿水平方向（水平軸）進行極為精確的旋轉。高精度編碼器能協助平衡架精準控制每一個旋轉步距，確保多張影像之間的接縫自然無痕，拍攝出高品質、無縫接軌的全景照片。

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攝影機沿水平軸旋轉以捕捉高精度全景照片

4. 目標追蹤

在某些應用中，例如搜救行動或動態拍攝，平衡架系統需要能夠即時追蹤特定物體或目標。編碼器提供高精度位置資訊，讓控制系統即使在高速移動下，也能即時調整攝影機指向，持續將目標保持在畫面中央，達成流暢穩定的目標追蹤效果。

5. 遠程操作

在遠端操控場景下，例如海上監測或工業巡檢，操作者需從遙遠位置精確控制攝影機方向與角度。高精度編碼器確保平衡架能即時、準確執行操控指令，實現遠端精密操作，大幅提升任務執行效率與安全性。

Renishaw 提供多種適合平衡架應用的光學與磁性編碼器，包括 RESOLUTE™ 絕對式光學尺系列，在高速運動控制、絕對位置讀取、抗污染能力等方面，皆達到業界領先水準。

平衡架有哪些應用？

平衡架系統不僅應用於無人機（UAV），也廣泛搭載於無人水面載具（USV）與無人地面載具（UGV）上，成為多元產業應用中不可或缺的重要技術。

從農業、監控、攝影、電影製作、搜索和救援、海洋研究、環境監測到工業檢查，無人駕駛載具都能受益於平衡架提供的穩定性和精確控制，展示了平衡架在提升無人駕駛載具性能和操作效率方面的重要性。

An unmanned aerial vehicles (UAVs) and an unmanned surface vehicles (USVs).jpg

An unmanned aerial vehicles (UAVs) and an unmanned ground vehicles (UGVs).jpg

無人飛行載具 (UAV)、無人水面載具 (USV) 和無人駕駛地面載具 (UGV)

雷達應用

雷達依靠旋轉來掃描並確定物體的位置、速度和距離。為了精確檢測物體，編碼器作為回饋系統用於提供有關雷達旋轉天線的角度位置的即時資訊。通過連續旋轉，雷達系統能夠覆蓋更大面積並探測各種物體。

編碼器作為旋轉天線的位置回饋系統，可在其旋轉過程中提供精確的角度位置資訊。這些資料使雷達系統能夠在任何指定的特定時間確定天線的準確方向，對於精確計算被檢測物體的位置、速度和距離至關重要。

雷達有哪些應用？

航太與空中交通管制：雷達用於監測飛行器的位置、速度和高度，保障空中交通的安全。編碼器提供精確的天線角度資訊，幫助雷達系統精確追蹤飛行器，避免碰撞風險。
天氣監測與預測：雷達可用來探測氣象系統，如颱風、雷陣雨等，並預測其移動路徑與強度。精確的角度回饋使雷達系統能夠快速識別並追蹤天氣變化，提前預警。
海上導航與海洋探測：雷達系統被用於船舶導航，幫助確保航行安全，並能及時發現其他船隻或障礙物。編碼器確保雷達天線的精確定位，使得海面掃描更為全面和精確。
太空探索與衛星監測：在太空探索中，雷達系統被用來監測地球及其他星體的表面，提供高解析度的地理圖像。編碼器的高精度定位功能對於遙控探測器或衛星的準確定位至關重要。

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雷達技術廣泛應用於航太、空中交通管制、天氣監測、海上導航、海洋探測、衛星監測和太空探索

為無人機和平衡架選擇編碼器系統時需要考慮哪些因素？

下表列出了選擇精密定位編碼器系統時通常評估的關鍵因素。這些因素包括編碼器性能、環境條件、安裝要求以及其他相關考量。

無人機和平衡架

性能

✔ 解析度
✔ 電子細分誤差
✔ 旋轉範圍
✔ 控制器輸入頻率
✔ 讀頭重量
✔ 電纜撓曲半徑

環境條件

✔ 溫度
✔ 濕度
✔ 振動
✔ 電磁相容性 (EMC)
✔ IP 防護等級

安裝要求

✔ 尺寸
✔ 間隙公差
✔ 扭擺/俯仰/滾擺
✔ 連接器

其他考量

✔ 序列介面通訊協議

我們推薦的解決方案

無人機和平衡架

AksIM™ 絕對式磁性編碼器

一種非接觸式，高性能、離軸絕對式磁性旋轉編碼器，適合安裝空間受限的應用。結構緊湊、輕薄小巧的讀頭可檢測並評估軸向磁化的薄圓環的磁場。

✔ 真正意義的絕對式，單軌

✔ 非接觸式，無遲滯

✔ 高速運作

✔ 輕薄小巧

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AksIM-2™ 絕對式磁性編碼器

一種非接觸式，高性能、離軸絕對式磁性旋轉編碼器，適合安裝空間受限的應用。結構緊湊、輕薄小巧的讀頭可檢測並評估軸向磁化的薄圓環的磁場。

✔ 真正的絕對式

✔ 重複精度更高

✔ 內建自我監控功能

✔ 不受外部磁場干擾

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更多詳情

Orbis™ 絕對式磁性編碼器

通孔型磁性旋轉編碼器，適用於因空間限制而無法在旋轉軸端部安裝典型編碼器的情況。它的通孔量測原理允許客製，可選配各種電路板和磁體尺寸以滿足應用需求。

✔ 真正的絕對式編碼器

✔ 可沿軸固定安裝

✔ 提供自我校正選項

✔ 安裝公差寬鬆

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RESOLUTE™ 真正的絕對式光學尺

這款真正的絕對式光學尺是高速、高解析度位置量測系統。該光學尺在通電後無需任何移動便可立即獲取位置資訊，進而可實現平穩的速度控制和可靠的位置穩定性。RESOLUTE 光學尺具有線性光學尺和旋轉光學尺選項，以及各種序列介面。

✔ 高速運作

✔ 抗汙能力優

✔ 低電子細分誤差 (SDE)

✔ 低抖動

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成功案例：平移和傾斜

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射頻天線系統 — 抵禦黑鷹直升機的劇烈振動

Pacific Antenna Systems (PAS) 公司設計、加工和製造使用 1–110 Ghz 射頻 (RF) 的先進天線系統。這些天線系統的應用範圍包括高解析度雷達、用於視距和衛星 (SATCOM) 通訊的高速率資料通訊，以及用於對抗無人機 (UAS) 的高功率微波系統。

天線的基本工作原理是將射頻波束精確地定位到靶點上。PAS 根據具體應用場合在天線中採用多種不同的機電設計。每個運動軸（平衡環架）上都安裝旋轉位置編碼器，以滿足準確度和精確度要求。

RESOLUTE™ 真絕對編碼器已經在 UH60 黑鷹直升機上成功應用，作為防撞雷達系統的一部分。

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黑鷹直升機在飛行過程中面臨極其嚴苛的振動環境，對設備的穩定性和可靠性提出了極高的要求

Product shot of a Renishaw Resolute encoder.jpg

Pacific Antenna Systems antenna gimbal assembly on a shock and vibration test stand.jpg

衝擊和振動測試台上的 PAS 天線環架元件

我們需要重複精度達到千分之一度以內。由於應用場合的重要性，這些元件上的所有零組件都必須經過測試，

RESOLUTE™ 遠遠超出了我們的預期。

Pacific Antenna Systems（美國）

天文研究 — 在沙漠環境中確保望遠鏡精度

Wise 天文台是由以色列特拉維夫大學 (Tel Aviv University) 擁有並經營的天文研究機構，位於以色列的內蓋夫 (Negev) 沙漠中。該天文台已有 40 多年的歷史，始終致力於支持天文學領域的尖端研究。

特拉維夫大學的天文望遠鏡是全自動操作的，並配有超高解析度的光譜儀，用於發現已知恒星周圍的新行星。望遠鏡的運動軸上裝有光學尺，用於精確量測望遠鏡的移動位置，確保在沙漠環境中依然能夠保持高精度。

Wise 天文台是由以色列特拉維夫大學 (Tel Aviv University) 擁有並經營的天文研究機構。 Located in Israel's Negev desert..jpg

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Wise 天文台的主力天文望遠鏡直徑達一米

在沙漠中，氣溫日夜變化劇烈。溫度變化會導致熱脹冷縮，進而對金屬物體產生不利影響。

因此，在設計用於將新光學尺安裝到望遠鏡上的客製安裝支架時，我們必須考慮熱膨脹效應，以確保氣候狀況不會影響望遠鏡的精度。

Wise 天文台（以色列）

團隊在望遠鏡的每個運動軸上都安裝了 RESOLUTE™ 線性光學尺。滾轉軸控制望遠鏡的方向，用於觀測不同的天區；而橫搖軸控制物鏡和攝影機的左右運動。RESOLUTE 線性光學尺系統以其超低電子細分誤差 (SDE) 和抖動性能，從其他廠牌的光學尺中脫穎而出，確保望遠鏡在運動中的精確性和穩定性。

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無人機和平衡架 — 以高精度編碼器提升航空系統性能

AksIM™ 絕對式磁性編碼器

AksIM-2™ 絕對式磁性編碼器

Orbis™ 絕對式磁性編碼器

RESOLUTE™ 真正的絕對式光學尺

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