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高性能MEMS傳感器 鑄就無人機強“心”
專欄:行業資訊
發布日期:2019-01-29
閱讀量:5833
作者:佚名
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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,并進行數據融合,就可以直接在芯片上執行定向處理等軟件功能。

據麥姆斯咨詢報道,無人機的市場規模和應用范圍正在蓬勃發展,似乎每隔一天就會出現新的應用。無論是郵件或包裹的遞送、老少皆宜的娛樂、安全監控、農業或工業的管理,還是開拓航拍攝影的新天地,隨處都可見無人機的身影。

高性能MEMS傳感器 鑄造無人機強“心”

最初,大多數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、更穩定、更容易,從而使它們在現實生活中的應用也越來越廣泛。

這些能力提高的關鍵因素是使用了高性能的微機電系統(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Yole《應用于無人機和機器人的傳感器》報告數據,應用于無人機和機器人的傳感器市場增長強勁,預計到2021年將達到7.09億美元,2018年到2021年的復合年增長率為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使其系統設計變得復雜:電機校準得不夠完美、系統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。這些都可能導致定位處理產生偏差,最終導致導航時出現位置錯誤,甚至導致無人機故障。

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、專用傳感器節點(ASSN)以及傳感器之間的數據融合,都對其飛行性能有直接和實質性的影響。

受尺寸限制以及苛刻的環境和運行條件,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(如傳感器校準和數據融合)、機械系統設計(如減少振動),以及根據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注一下MEMS傳感器。

航姿參考系統(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可預估設備的行進方向,如滾轉、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關系,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致設備出現1度的方向誤差。

高性能MEMS傳感器 鑄造無人機強“心”

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。

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源自高端汽車傳感器,因此它可以在較長時間內保持出色的偏置和溫度穩定性,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。

高性能MEMS傳感器 鑄造無人機強“心”

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以內和陀螺儀的偏移范圍小于0.5 dps。此外,BMI088行為表現與溫度呈線性關系,且幾乎沒有滯后現象。這使得BMI088在無人機和機器人中應用極具吸引力。

氣壓傳感器

無人機內置的高性能氣壓傳感器能精確測量高度,并可與IMU的讀數結合用于高度控制。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、測距傳感器結合使用,可提高系統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,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,當前無人機在工業和商業創新應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軸的數字磁力計。

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

專用傳感器節點

專用傳感器節點(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。它為運動傳感應用提供靈活而低功耗的解決方案。

例如,Bosch Sensortec的BMF055就是一款ASSN,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合,可用作AHRS。該器件采用5.2mm x 3.8mm x 1.1mm小型封裝,節省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機應用提供了一體化封裝。圖3演示了BMF055在無人機中的應用,其作為定向處理單元并集成了傳感器融合算法。

高性能MEMS傳感器 鑄造無人機強“心”

圖3:BMF055(ASSN)在無人機中AHRS應用

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構的系統示意圖,以及集成傳感器讀數和控制所需的軟件。

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。左側列顯示為各個傳感器,右側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室內和玩具無人機的最佳穩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航功能。

高性能MEMS傳感器 鑄造無人機強“心”

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,并進行數據融合,就可以直接在芯片上執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據融合軟件,功能包括傳感器校準、傳感器數據的預處理和定向處理。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雜性,減少不必要的風險并縮短產品上市時間。

然而,制造商仍然需要為無人機的機械設計和動力系統,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

讓我們來看看創新的MEMS傳感器技術如何與軟件相結合,實現現代無人機功能?,F在,即便是低成本的玩具無人機,也普遍具有復雜的功能。首先,通過利用IMU的輸出,穩定器能將無人機保持水平。通過集成來自氣壓傳感器的數據,能夠將無人機維持高度和位置不變。例如,在玩具應用中,它可控制無人機在高度不變時進行翻轉。結果是操控師不再需要花費那么多小時的練習來掌握基本操控,且會顯著降低發生意外碰撞的風險。

與GPS模塊的數據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或可以自主跟隨一個人。與攝像頭相結合,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、半導體和當前的MEMS傳感器技術的發展,尤其是不斷提升的精密度和小型化,預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測、牲畜的管理、安全或快遞系統到下一代增強現實游戲或物聯網(IoT)平臺,高科技的飛機和無人機在我們的日常生活中發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”。


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