MEMS傳感器在無人機中的應(yīng)用

據(jù)報道，無人機的市場規(guī)模和應(yīng)用范圍正在蓬勃發(fā)展，似乎每隔一天就會出現(xiàn)新的應(yīng)用。無論是郵件或包裹的遞送、老少皆宜的娛樂、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)的管理，還是開拓航拍攝影的新天地，隨處都可見無人機的身影。

最初，大多數(shù)無人機不過是簡單的玩具。然而，最近它們的飛行能力有了顯著地提高，讓它們的操控更安全、更穩(wěn)定、更容易，從而使它們在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。

這些能力提高的關(guān)鍵因素是使用了高性能的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，因而無人機中的傳感器市場正在快速地增長：

根據(jù)Yole《應(yīng)用于無人機和機器人的傳感器》報告數(shù)據(jù)，應(yīng)用于無人機和機器人的傳感器市場增長強勁，預(yù)計到2021年將達到7.09億美元，2018年到2021年的復(fù)合年增長率為12.4%。

影響無人機飛行性能的MEMS傳感器

無人機能夠保持方向穩(wěn)定、被用戶精準操控，或者自動飛行，都依賴于慣性MEMS傳感器。然而，無人機面臨的一些挑戰(zhàn)使其系統(tǒng)設(shè)計變得復(fù)雜：電機校準得不夠完美、系統(tǒng)動力隨負載不同而變化、運行條件迅速變換，或者傳感器引入不準確的信息。這些都可能導(dǎo)致定位處理產(chǎn)生偏差，最終導(dǎo)致導(dǎo)航時出現(xiàn)位置錯誤，甚至導(dǎo)致無人機故障。

要讓無人機不只是玩具，甚至“更上一層樓”，配備高性能的MEMS傳感器和先進的軟件是必不可少的。高級無人機上高精度的慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、磁力計、專用傳感器節(jié)點（ASSN）以及傳感器之間的數(shù)據(jù)融合，都對其飛行性能有直接和實質(zhì)性的影響。

受尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和運行條件，如溫度波動和振動，都對傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能地減少這些影響，并提供精準可靠的測量。

實現(xiàn)卓越的飛行性能的方法主要有：軟件算法（如傳感器校準和數(shù)據(jù)融合）、機械系統(tǒng)設(shè)計（如減少振動），以及根據(jù)無人機制造商的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面我們通過一些實例重點關(guān)注一下MEMS傳感器。

航姿參考系統(tǒng)（AHRS）是無人機的“心臟”，它包括慣性傳感器、磁力計和處理單元。AHRS可預(yù)估設(shè)備的行進方向，如滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的角度。傳感器的不準確性，如偏移、靈敏度誤差或熱漂移，會導(dǎo)致定向誤差。圖1顯示了定向誤差（滾動、俯仰角度）與加速度計偏移的函數(shù)關(guān)系，定向誤差通常是傳感器誤差鏈中最大的因素。例如，僅20 mg的加速度偏移量將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)1度的方向誤差。

圖1：加速度計偏移引起的方向誤差

慣性測量單元（IMU）

IMU包括加速度計和陀螺儀，并帶有嵌入式處理程序。這使它能夠確定運動軌跡，包括線性運動和旋轉(zhuǎn)。

Bosch Sensortec的BMI088是一款6軸IMU，具有16位低噪聲加速度計和16位低漂移陀螺儀。這種高精度器件的技術(shù)源自高端汽車傳感器，因此它可以在較長時間內(nèi)保持出色的偏置和溫度穩(wěn)定性，以及具有卓越的振動魯棒性，使其成為無人機的理想選擇。

圖2顯示了BMI088隨溫度漂移的典型值。

圖2：BMI088隨溫度漂移的典型值（加速度和速率都為0）

所示的漂移量表示加速度計偏移的范圍在10 mg以內(nèi)和陀螺儀的偏移范圍小于0.5 dps。此外，BMI088行為表現(xiàn)與溫度呈線性關(guān)系，且?guī)缀鯖]有滯后現(xiàn)象。這使得BMI088在無人機和機器人中應(yīng)用極具吸引力。

氣壓傳感器

無人機內(nèi)置的高性能氣壓傳感器能精確測量高度，并可與IMU的讀數(shù)結(jié)合用于高度控制。氣壓傳感器必須盡可能減少外部的影響和誤差。目前，與其他傳感器，例如GPS和光流傳感器、測距傳感器結(jié)合使用，可提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。

Bosch Sensortec的BMP388氣壓傳感器用于提供高度信息，可改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸的性能。這使得操控無人機變得輕而易舉，因此能吸引到更廣泛的用戶。

無人機對氣壓傳感器的要求通常極端苛刻。即便遭受不良天氣和氣溫影響，高度精度也必須控制在嚴格的公差范圍內(nèi)，另外隨時間推移傳感器必須保持低延遲和微乎其微的漂移量。BMP388能夠滿足這些嚴苛的要求，其相對精度為+/- 0.08 hPa（+/- 0.66 m），300至1100 hPa之間的絕對精度在+/- 0.5 hPa，低溫度系數(shù)補償（TCO）通常小于0.75 Pa/K。它擁有極具吸引力的性價比，功耗低且封裝尺寸極小，僅為2.0mm x 2.0mm x 0.75mm。

除了改善TCO之外，還有多種因素可以提高整體的精度：相對精度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對精度。從笨拙的玩具到高精度飛行器，當前無人機在工業(yè)和商業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用中的潛力超越了工程師們的想像。

磁力計

磁力計就像是指南針，可以根據(jù)地球的磁場為無人機確立航向。正如Bosch Sensortec的BMM150，正是一款3軸的數(shù)字磁力計。

BMM150，結(jié)合BMI088 IMU，可提供9個自由度（DoF）的解決方案，用于航向估算和導(dǎo)航。BMM150在很寬的溫度范圍內(nèi)都能保持良好性能，具有16位分辨率和抗強磁場能力（無磁化提供穩(wěn)定的傳感器偏移），因而非常適合無人機應(yīng)用，并能夠最大限度地減少校準傳感器偏移所需的工作量。

專用傳感器節(jié)點

專用傳感器節(jié)點（ASSN）是指高度集成的智能傳感集線器，它能將多個傳感器集成在一個封裝體中，并配有可編程的微控制器。它為運動傳感應(yīng)用提供靈活而低功耗的解決方案。

例如，Bosch Sensortec的BMF055就是一款A(yù)SSN，它集成了加速度計、陀螺儀、磁力計、可處理軟件的32位Cortex M0+微控制器，以及各傳感器的輸出端。BMF055與定向處理軟件相結(jié)合，可用作AHRS。該器件采用5.2mm x 3.8mm x 1.1mm小型封裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3演示了BMF055在無人機中的應(yīng)用，其作為定向處理單元并集成了傳感器融合算法。

圖3：BMF055（ASSN）在無人機中AHRS應(yīng)用

信號處理和軟件

除了各個傳感器之外，我們還可以了解一下無人機的信號處理整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)示意圖，以及集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。

圖4顯示了典型的消費級無人機中用于不同信號處理的功能模塊。左側(cè)列顯示為各個傳感器，右側(cè)列表示其派生的軟件處理功能，如方向處理和飛行控制算法。深藍色方塊的傳感器是實現(xiàn)室內(nèi)和玩具無人機的最佳穩(wěn)定控制必不可少的傳感器，灰色方塊則表示可選傳感器，可用于擴展室外飛行和自動航點導(dǎo)航功能。

圖4：消費級無人機的信號處理示意圖

將各種傳感器集成一體，并進行數(shù)據(jù)融合，就可以直接在芯片上執(zhí)行定向處理等軟件功能。除了MEMS傳感器，Bosch Sensortec還提供用于定向處理的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件，功能包括傳感器校準、傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理和定向處理。對于無人機制造商而言，這可以顯著地降低工程和軟件的復(fù)雜性，減少不必要的風險并縮短產(chǎn)品上市時間。

然而，制造商仍然需要為無人機的機械設(shè)計和動力系統(tǒng)，提供他們自己的軟件和特殊代碼，例如控制回路和特定功能的使用。

典型的無人機功能

讓我們來看看創(chuàng)新的MEMS傳感器技術(shù)如何與軟件相結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)代無人機功能。現(xiàn)在，即便是低成本的玩具無人機，也普遍具有復(fù)雜的功能。首先，通過利用IMU的輸出，穩(wěn)定器能將無人機保持水平。通過集成來自氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，能夠?qū)o人機維持高度和位置不變。例如，在玩具應(yīng)用中，它可控制無人機在高度不變時進行翻轉(zhuǎn)。結(jié)果是操控師不再需要花費那么多小時的練習(xí)來掌握基本操控，且會顯著降低發(fā)生意外碰撞的風險。

與GPS模塊的數(shù)據(jù)融合為無人機戶外飛行增添一些有趣的功能，例如，在幾個航點之間自動飛行，以及“返回家”功能——無人機能夠自動返回并安全降落到起始位置。

其他新穎的功能還包括“軌道模式”或“跟隨我模式”，無人機可以圍繞特定點旋轉(zhuǎn)或可以自主跟隨一個人。與攝像頭相結(jié)合，操控師可以在“帶著無人機散步”時，從“鳥瞰視圖”中看到自己，或者通過手勢與無人機互動。

海闊天空任我游

隨著機器人、半導(dǎo)體和當前的MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展，尤其是不斷提升的精密度和小型化，預(yù)示著在未來無人遙控飛機將更為普及。從天氣或空氣污染物的監(jiān)測、牲畜的管理、安全或快遞系統(tǒng)到下一代增強現(xiàn)實游戲或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺，高科技的飛機和無人機在我們的日常生活中發(fā)揮的作用越來越重要，而博世MEMS傳感器將為它們鑄造強大的“心臟”。