科技之翼／打造國產高階無人機感測晶片

【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！」