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MEMS传感器——无人机的中央

2025China.cn   >2019年05月17日

  无人机的市场规模和规模持续蓬勃睁开,新应用程序赓续涌现。无人机的应用也越来越普遍,还苁运送邮件还是包裹、为儿童和老年人供给娱乐、平安监控、农业或工业办理,或开拓航空摄影的新视野。

  末了,大多数无人机都是相对简略的玩具。然而最近,其飞行能力显著提高,使其更平安、更稳固、更易于节制,从而可以或许或许用于更普遍的实际生活应用。

  这种改良的关键因素之一便是应用了高机能微电机体系(MEMS)传感器。而且无人机传感器市场正在疾速增长:

  根据IHS Markit(消费者和移动设备运动传感器——2017年)的数据,无人机和玩具直升机中MEMS运动传感器(即加快度计、陀螺仪、IMU和压力传感器)的市场至2021年估计将到达约7000万台,而其2018至2021复合年增长率可到达17%。

  MEMS传感器对无人机飞行机能的影响

  得益于采纳惯性MEMS传衅,无人机可确保其偏向稳固,并可由用户精确节制,甚至可自立飞行。然而,一些挑衅使无人机体系设计变得十分复杂,例如电机未完善校准,体系静态可能根据有用载荷而变更,操纵条件可能出现突变,或传衅存在误差。这些挑衅会构成定位处理偏差,并最终导致导航期间的地位偏差,甚至构成无人机失效。

  要使无人机超出玩具的领域,高品格MEMS传感器和先辈软件至关重要。无人机的惯性测量单位(IMU)、气压传感器、地磁传感器、应用特定型传感器节点(ASSN)和传感器数据交融的精度对其飞行机能有着间接和实质的影响。

  尺寸限制和苛刻的环境和操纵条件(如温度变更和振动)将对传感器的请求晋升到新的程度。MEMS传感器必需尽量防止这些影响,并供给精确、靠得住的测量。

  有多种办法可以或许或许实现精彩的飞行机能:软件算法,如传感器校准和数据交融;机械体系设计,例如削减振动,和根据无人机制作商自己的请求和必要抉择MEMS传感器。下面就让咱咱咱们仔细研究一下MEMS传感器并参考部分示例。

  无人机的中央在于其姿势航向参照体系(AHRS),此中包含惯性传感器、磁力计和处理单位。AHRS估算设备定位,例如滚动、俯仰和偏航角。传感器误差(如偏移、灵敏度误差或热漂移)会导致定位错误。图1显示了加快度计偏移函数情势的定位误差(滚动、俯仰角),这通常是构成传感器连续误差的中央根源。例如,仅20 mg的加快度计偏移便会导致设备偏向出现1度误差。

  图1:加快度计偏移引起的倾斜误差

  惯性测量单位(IMU)

  IMU包含加快度传感器和陀螺仪,和相应的入式处理程序。这使其可以或许或许在线性移动和旋转方面辨认运动。

  Bosch Sensortec的BMI088是一款六轴IMU,具有低噪声16位加快度计和低漂移16位陀螺仪。这种高精度设备的技术源自高端汽车传感器,因此可在长光阴内供给精彩的偏置和温度稳固性,并具有高振动稳固性,使其成为无人机应用的抱负抉择。

  图2显示了BMI088在分歧温度下的典型偏移漂移。

  图2:BMI088在分歧温度下的典型零重力和零速率偏移漂移

  所示的加快度计偏移漂移规模仅为10 mg,而陀螺仪传感器的偏移漂移则小于0.5 dps。别的,BMI088随温度变更呈现线性趋向,且滞后非常小。这使得BMI088十分适用于无人机和机械人应用。

  气压传感器

  无人机内置的高机能气压传感器可精确测量高度,并与IMU的高度节制读数结合应用。气压传感器必需尽量防止内部影响和不精确性。

  如今,结合诸如GPS和光流等附加传感器,距离传感器可用于提高体系的靠得住性并削减地位误差。

  Bosch Sensortec的新型BMP388气压传感器供给高度信息,以改良飞行稳固性、高度节制、起飞和着陆机能。这使得无人机节制轻而易举,由此吸引更普遍的用户。

  对无人机中压力传感器的请求通常非常苛刻。因为遭到不抱负天气和温度条件的影响,高度精度必需对峙在严厉的公差规模内,而且传感器必需具有低延迟性,和在长光阴下的极低漂移。BMP388称心这些苛刻请求,相对精度达+/-0.08 hPa(+/- 0.66m),相对精度为300至1100 hPa +/- 0.5 hPa,低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有极具吸引力的性价比、低功耗和仅为2.0 x 2.0 x 0.75mm?的极小封装尺寸。

  除了TCO改良之外,另有多种因素有助于提高全体精度:相对精确度、噪声、稳固性和相对精度。从笨拙的玩具到高精度飞机;只要工程师想获得,目前创新工业和商业无人机的应釉墼勖潜力可以或许或许说无边无际。

  磁力计

  磁力计犹如一部指南针,可以或许根据地球的磁场实现无人机的航向。Bosch Sensortec的BMM150便是一个例子,这是一部三轴数字地磁传感器。

  BMM150与BMI088型IMU结合应用,可供给九从容度(DoF)解决计划,用于航向估算和导航。在宽泛温度规模内的稳固机能、16位分辨率和抗强磁场的能力(无磁性可实现稳固的传感器偏移)使BMM150非常得当无人机应用,并最大限度地削减了传感器偏移校准所需的工作量。

  应用特定型传感器节点

  应用特定型传感器节点(ASSN)供给高度集成的智能传感器集线器,将多个传感器组合在一个封装中,并配有可编程微节制器。它为运动传感应用供给机动的低功耗解决计划。

  例如,Bosch Sensortec的BMF055是一款带有集成加快度计、陀螺仪、磁力计和32位Cortex M0 +微节制器的ASSN,用于包含传感器输入在内的软件办理。BMF055与定位处理软件相结合可用作AHRS。该设备采纳5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封装,节省了宝贵的空间和重量。该传感器为无人机应用供给了一体化封装。图3展现了BMF055在无人机应用中作为具有集成传感器交融算法的定位处理单位的应用。

  图3:BMF055(ASSN)在无人机应用中用作AHRS

  信号处理和软件

  除了单独传感器之外,咱咱咱们还可以或许或许在体系层面对无人机的全体信号处理布局停止检查,并确定集成传感器读数和节制所需的软件。

  图4显示了典型的消费级无人机中的分歧信号处理功效。左侧列显示单独传感器,右侧列表示派生的软件处理功效,如定位处理和飞行节制算法。深蓝色传感器模块代表最先辈的传感器,重要用于实现室内和玩具无人机的稳固性,灰色传感器模块表示室外飞行和主动航路点导航所需的扩大可选功效。

  应用集成传感器,某些软件功效(如定位处理)可颠末过程重要交融各种传感器读数间接在芯片上获得履行。除了MEMS传感器,Bosch Sensortec还供利用于定位处理的传感器数据交融软件,此中包含传感器校准、传感器数据预处理和定位处理等功效。对付无人机制作商而言,这可以或许或许显著低落工程和软件的复杂性、防止不必要的危险并缩短产品上市光阴。

  然而,制作商仍然必要供给自己的软件,分外是无人机的机械设计和能源学特有代码,例如节制回路和用例特定功效。

  图4:消费级无人机的信号处理概述

  典型的无人机功效

  让咱咱咱们来存眷一下创新MEMS传感器技术如何与软件相结合,实现现代无人机功效。

  即使在低本钱的玩具无人机中,复杂的功效如今依然十分常见。首先,稳固器利用IMU输入将无人机对峙在程度地位。颠末过程集成来自气压传感器的数据使无人机对峙在其高度和地位,例如在玩具应用中,可使无人机翻转而不改变高度。结果便是,飞行员不必要多个小时的练习来节制基本举动,而且显著低落了意外碰撞的危险。

  与GPS模块的数据交融为无人机供给了部分有趣的户外飞行功效,例如多个降阒的自立飞行,和“返家”功效,即无人机主动返回其起始地位并平安降落。

  其余较新的功效包含“轨道情势”或“跟随我情势”,即无人机环抱特定点旋转或具有自立职员跟踪的能力。颠末过程结合相机,飞行员如今可以或许或许从鸟瞰视角停止自我观察,同时“携无人机散步”,甚至可以或许或许颠末过程手势与无人机互动。

  无拘无束

  机械人技术、半导体和当今MEMS传感器的睁开——包含其赓续提高的精度和小型化趋向——预示着未来无人遥控飞机将愈加普及。从天气或净化监测、牲畜办理、平安或交付体系到下一代增强实际游戏或物联网平台,高科技飞机和无人机将在咱咱咱们的日常生活中发挥越来越重要的感化。而博世的MEMS传感器将成为此中央。

标签:MEMS传感器 | 无人机 我要反馈 
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