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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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磁力计

磁力计如同一部指南针,可以根据地球的磁场实现无人机的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一个例子,这是一部三轴数字地磁传感器

BMM150与BMI088型IMU结合使用,可提供九自由度(DoF)解决方案,用于航向估算和导航。在宽泛温度范围内的稳定性能、16位分辨率和抗强磁场的能力(无磁性可实现稳定的传感器偏移)使BMM150非常适合无人机应用,并最大限度地减少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)提供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,并配有可编程微控制器。它为运动传感应用提供灵活的低功耗解决方案。

MEMS传感器:无人机的核心

例如,Bosch Sensortec的BMF055是一款带有集成加速度计、陀螺仪、磁力计和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN,用于包括传感器输出在内的软件管理。BMF055与定位处理软件相结合可用作AHRS。该设备采用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提供了一体化封装。图3展示了BMF055在无人机应用中作为具有集成传感器融合算法的定位处理单元的使用。

MEMS传感器:无人机的核心

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,我们还可以在系统层面对无人机的整体信号处理结构进行查看,并确定集成传感器读数和控制所需的软件。

图4显示了典型的消费级无人机中的不同信号处理功能。左侧列显示单独传感器,右侧列表示派生的软件处理功能,如定位处理和飞行控制算法。深蓝色传感器模块代表最先进的传感器,主要用于实现室内和玩具无人机的稳定性,灰色传感器模块表示室外飞行和自动航路点导航所需的扩展可选功能。

使用集成传感器,某些软件功能(如定位处理)可通过主要融合各种传感器读数直接在芯片上获得执行。除了MEMS传感器,Bosch Sensortec还提供用于定位处理的传感器数据融合软件,其中包括传感器校准、传感器数据预处理和定位处理等功能。对于无人机制造商而言,这可以显著降低工程和软件的复杂性、避免不必要的风险并缩短产品上市时间。

然而,制造商仍然需要提供自己的软件,特别是无人机的机械设计和动力学特有代码,例如控制回路和用例特定功能。

MEMS传感器:无人机的核心

图4:消费级无人机的信号处理概述

典型的无人机功能

让我们来关注一下创新MEMS传感器技术如何与软件相结合,实现现代无人机功能。

即使在低成本的玩具无人机中,复杂的功能如今依然十分常见。首先,稳定器利用IMU输出将无人机保持在水平位置。通过集成来自气压传感器的数据使无人机保持在其高度和位置,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,飞行员不需要多个小时的练习来掌握基本动作,并且显著降低了意外碰撞的风险。

与GPS模块的数据融合为无人机提供了部分有趣的户外飞行功能,例如多个航点之间的自主飞行,以及“返家”功能,即无人机自动返回其起始位置并安全降落。

其他较新的功能包括“轨道模式”或“跟随我模式”,即无人机围绕特定点旋转或具有自主人员跟踪的能力。通过结合相机,飞行员现在可以从鸟瞰视角进行自我观察,同时“携无人机散步”,甚至可以通过手势与无人机互动。

无拘无束

机器人技术、半导体和当今MEMS传感器的发展——包括其不断提高的精度和小型化趋势——预示着未来无人遥控飞机将愈加普及。从天气或污染监测、牲畜管理、安全或交付系统到下一代增强现实游戏或物联网平台,高科技飞机和无人机将在我们的日常生活中发挥越来越重要的作用。而博世的MEMS传感器将成为其核心。

Bosch Sensortec GmbH是罗伯特·博世有限责任公司(Robert Bosch GmbH)的全资子公司,旨在提供完整的微机电系统(MEMS)传感器产品组合,以及可令消费类电子产品实现互联的解决方案。Bosch Sensortec为智能手机、平板电脑、可穿戴设备及物联网产品开发并提供定制MEMS传感器与解决方案。产品组合包括3轴加速度计、陀螺仪和地磁传感器、集成6轴和9轴传感器、光学微系统、环境传感器,以及全面的软件组合。自2005年成立起,Bosch Sensortec已成为上述市场的MEMS技术领先企业。博世公司自1995年至今一直是MEMS传感器领域的先锋与全球市场的领导者,至今所销售的MEMS传感器数量已超过95亿。全球每两部智能手机中便有一部使用Bosch Sensortec的传感器。

文/Sergej Scheiermann,Bosch Sensortec传感器解决方案产品经理

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