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MEMS传感器——无人机的核心

2019-05-09 09:57
芯向
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无人机的市场规模和范围持续蓬勃发展,新应用程序不断涌现。无人机的应用也越来越普遍,无论是运送邮件还是包裹、为儿童和老年人提供娱乐、安全监控、农业或工业管理,或开辟航空摄影的新视野。

最初,大多数无人机都是相对简单的玩具。然而最近,其飞行能力显著提高,使其更安全、更稳定、更易于控制,从而能够用于更广泛的现实生活应用。

MEMS传感器:无人机的核心

这种改进的关键因素之一便是使用了高性能微机电系统(MEMS)传感器。并且无人机传感器市场正在快速增长:

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(即加速度计、陀螺仪、IMU和压力传感器)的市场至2021年预计将达到约7000万台,而其2018至2021复合年增长率可达到17%。

MEMS传感器对无人机飞行性能的影响

得益于采用惯性MEMS传感器,无人机可确保其方向稳定,并可由用户精确控制,甚至可自主飞行。然而,一些挑战使无人机系统设计变得十分复杂,例如电机未完美校准,系统动态可能根据有效载荷而变化,操作条件可能出现突变,或传感器存在误差。这些挑战会造成定位处理偏差,并最终导致导航期间的位置偏差,甚至造成无人机失效。

要使无人机超越玩具的范畴,高品质MEMS传感器和先进软件至关重要。无人机的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、地磁传感器、应用特定型传感器节点(ASSN)和传感器数据融合的精度对其飞行性能有着直接和实质的影响。

尺寸限制以及苛刻的环境和操作条件(如温度变化和振动)将对传感器的要求提升到新的水平。MEMS传感器必须尽可能避免这些影响,并提供精确、可靠的测量。

有多种方法可以实现出色的飞行性能:软件算法,如传感器校准和数据融合;机械系统设计,例如减少振动,以及根据无人机制造商自己的要求和需求选择MEMS传感器。下面就让我们仔细研究一下MEMS传感器并参考部分示例。

无人机的核心在于其姿态航向参照系统(AHRS),其中包括惯性传感器、磁力计和处理单元。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显示了加速度计偏移函数形式的定位误差(滚动、俯仰角),这通常是造成传感器连续误差的核心根源。例如,仅20 mg的加速度计偏移便会导致设备方向出现1度误差。

MEMS传感器:无人机的核心

图1:加速度计偏移引起的倾斜误差

惯性测量单元(IMU)

IMU包括加速度传感器和陀螺仪,以及相应的嵌入式处理程序。这使其能够在线性移动和旋转方面识别运动。

Bosch Sensortec的BMI088是一款六轴IMU,具有低噪声16位加速度计和低漂移16位陀螺仪。这种高精度设备的技术源自高端汽车传感器,因此可在长时间内提供出色的偏置和温度稳定性,并具有高振动稳定性,使其成为无人机应用的理想选择。

图2显示了BMI088在不同温度下的典型偏移漂移。

MEMS传感器:无人机的核心

图2:BMI088在不同温度下的典型零重力和零速率偏移漂移

所示的加速度计偏移漂移范围仅为10 mg,而陀螺仪传感器的偏移漂移则小于0.5 dps。此外,BMI088随温度变化呈现线性趋势,且滞后非常小。这使得BMI088十分适用于无人机和机器人应用。

气压传感器

无人机内置的高性能气压传感器可精确测量高度,并与IMU的高度控制读数结合使用。气压传感器必须尽可能避免外部影响和不准确性。

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系统的可靠性并减少位置误差。

Bosch Sensortec的新型BMP388气压传感器提供高度信息,以改善飞行稳定性、高度控制、起飞和着陆性能。这使得无人机控制轻而易举,由此吸引更广泛的用户。

MEMS传感器:无人机的核心

对无人机中压力传感器的要求通常非常苛刻。由于受到不理想天气和温度条件的影响,高度精度必须保持在严格的公差范围内,而且传感器必须具有低延迟性,以及在长时间下的极低漂移。BMP388满足这些苛刻要求,相对精度达+/-0.08 hPa(+/- 0.66m),绝对精度为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改进之外,还有多种因素有助于提高整体精度:相对准确度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨拙的玩具到高精度飞机;只要工程师想得到,目前创新工业和商业无人机的应用潜力可以说无边无际。

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