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高性能MEMS传感器 铸造无人机强“心”

导读: 最初,大多数无人机不过是简单的玩具。然而,最近它们的飞行能力有了显著地提高,让它们的操控更安全、更稳定、更容易,从而使它们在现实生活中的应用也越来越广泛。

据麦姆斯咨询报道,无人机的市场规模和应用范围正在蓬勃发展,似乎每隔一天就会出现新的应用。无论是邮件或包裹的递送、老少皆宜的娱乐、安全监控、农业或工业的管理,还是开拓航拍摄影的新天地,随处都可见无人机的身影。

高性能MEMS传感器 铸造无人机强“心”

最初,大多数无人机不过是简单的玩具。然而,最近它们的飞行能力有了显著地提高,让它们的操控更安全、更稳定、更容易,从而使它们在现实生活中的应用也越来越广泛。

这些能力提高的关键因素是使用了高性能的微机电系统(MEMS)传感器,因而无人机中的传感器市场正在快速地增长:

根据Yole《应用于无人机和机器人的传感器》报告数据,应用于无人机和机器人的传感器市场增长强劲,预计到2021年将达到7.09亿美元,2018年到2021年的复合年增长率为12.4%。

影响无人机飞行性能的MEMS传感器

无人机能够保持方向稳定、被用户精准操控,或者自动飞行,都依赖于惯性MEMS传感器。然而,无人机面临的一些挑战使其系统设计变得复杂:电机校准得不够完美、系统动力随负载不同而变化、运行条件迅速变换,或者传感器引入不准确的信息。这些都可能导致定位处理产生偏差,最终导致导航时出现位置错误,甚至导致无人机故障。

要让无人机不只是玩具,甚至“更上一层楼”,配备高性能的MEMS传感器和先进的软件是必不可少的。高级无人机上高精度的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、磁力计、专用传感器节点(ASSN)以及传感器之间的数据融合,都对其飞行性能有直接和实质性的影响。

受尺寸限制以及苛刻的环境和运行条件,如温度波动和振动,都对传感器的要求提升到新的水平。MEMS传感器必须尽可能地减少这些影响,并提供精准可靠的测量。

实现卓越的飞行性能的方法主要有:软件算法(如传感器校准和数据融合)、机械系统设计(如减少振动),以及根据无人机制造商的要求和需求选择MEMS传感器。下面我们通过一些实例重点关注一下MEMS传感器。

航姿参考系统(AHRS)是无人机的“心脏”,它包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS可预估设备的行进方向,如滚转、俯仰和偏航的角度。传感器的不准确性,如偏移、灵敏度误差或热漂移,会导致定向误差。图1显示了定向误差(滚动、俯仰角度)与加速度计偏移的函数关系,定向误差通常是传感器误差链中最大的因素。例如,仅20 mg的加速度偏移量将导致设备出现1度的方向误差。

高性能MEMS传感器 铸造无人机强“心”

图1:加速度计偏移引起的方向误差

惯性测量单元(IMU)

IMU包括加速度计和陀螺仪,并带有嵌入式处理程序。这使它能够确定运动轨迹,包括线性运动和旋转。

Bosch Sensortec的BMI088是一款6轴IMU,具有16位低噪声加速度计和16位低漂移陀螺仪。这种高精度器件的技术源自高端汽车传感器,因此它可以在较长时间内保持出色的偏置和温度稳定性,以及具有卓越的振动鲁棒性,使其成为无人机的理想选择。

图2显示了BMI088随温度漂移的典型值。

高性能MEMS传感器 铸造无人机强“心”

图2:BMI088随温度漂移的典型值(加速度和速率都为0)

所示的漂移量表示加速度计偏移的范围在10 mg以内和陀螺仪的偏移范围小于0.5 dps。此外,BMI088行为表现与温度呈线性关系,且几乎没有滞后现象。这使得BMI088在无人机和机器人中应用极具吸引力。

气压传感器

无人机内置的高性能气压传感器能精确测量高度,并可与IMU的读数结合用于高度控制。气压传感器必须尽可能减少外部的影响和误差。目前,与其他传感器,例如GPS和光流传感器、测距传感器结合使用,可提高系统的可靠性并减少位置误差。

Bosch Sensortec的BMP388气压传感器用于提供高度信息,可改善飞行稳定性、高度控制、起飞和着陆的性能。这使得操控无人机变得轻而易举,因此能吸引到更广泛的用户。

无人机对气压传感器的要求通常极端苛刻。即便遭受不良天气和气温影响,高度精度也必须控制在严格的公差范围内,另外随时间推移传感器必须保持低延迟和微乎其微的漂移量。BMP388能够满足这些严苛的要求,其相对精度为+/- 0.08 hPa(+/- 0.66 m),300至1100 hPa之间的绝对精度在+/- 0.5 hPa,低温度系数补偿(TCO)通常小于0.75 Pa/K。它拥有极具吸引力的性价比,功耗低且封装尺寸极小,仅为2.0mm x 2.0mm x 0.75mm。

除了改善TCO之外,还有多种因素可以提高整体的精度:相对精度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨拙的玩具到高精度飞行器,当前无人机在工业和商业创新应用中的潜力超越了工程师们的想像。

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