MEMS傳感器——無(wú)人機(jī)的核心

文/Sergej Scheiermann，Bosch Sensortec傳感器解決方案產(chǎn)品經(jīng)理

無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模和范圍持續(xù)蓬勃發(fā)展，新應(yīng)用程序不斷涌現(xiàn)。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，無(wú)論是運(yùn)送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂(lè)、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)管理，或開辟航空攝影的新視野。

最初，大多數(shù)無(wú)人機(jī)都是相對(duì)簡(jiǎn)單的玩具。然而最近，其飛行能力顯著提高，使其更安全、更穩(wěn)定、更易于控制，從而能夠用于更廣泛的現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用。

這種改進(jìn)的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。并且無(wú)人機(jī)傳感器市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)：

根據(jù)IHS Markit（消費(fèi)者和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感器——2017年）的數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)和玩具直升機(jī)中MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器（即加速度計(jì)、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）的市場(chǎng)至2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬(wàn)臺(tái)，而其2018至2021復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)到17％。

MEMS傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的影響

得益于采用慣性MEMS傳感器，無(wú)人機(jī)可確保其方向穩(wěn)定，并可由用戶精確控制，甚至可自主飛行。然而，一些挑戰(zhàn)使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜，例如電機(jī)未完美校準(zhǔn)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可能根據(jù)有效載荷而變化，操作條件可能出現(xiàn)突變，或傳感器存在誤差。這些挑戰(zhàn)會(huì)造成定位處理偏差，并最終導(dǎo)致導(dǎo)航期間的位置偏差，甚至造成無(wú)人機(jī)失效。

要使無(wú)人機(jī)超越玩具的范疇，高品質(zhì)MEMS傳感器和先進(jìn)軟件至關(guān)重要。無(wú)人機(jī)的慣性測(cè)量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對(duì)其飛行性能有著直接和實(shí)質(zhì)的影響。

尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和操作條件（如溫度變化和振動(dòng)）將對(duì)傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供精確、可靠的測(cè)量。

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如減少振動(dòng)，以及根據(jù)無(wú)人機(jī)制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們仔細(xì)研究一下MEMS傳感器并參考部分示例。

無(wú)人機(jī)的核心在于其姿態(tài)航向參照系統(tǒng)（AHRS），其中包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS估算設(shè)備定位，例如滾動(dòng)、俯仰和偏航角。傳感器誤差（如偏移、靈敏度誤差或熱漂移）會(huì)導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。圖1顯示了加速度計(jì)偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動(dòng)、俯仰角），這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源。例如，僅20 mg的加速度計(jì)偏移便會(huì)導(dǎo)致設(shè)備方向出現(xiàn)1度誤差。

圖1：加速度計(jì)偏移引起的傾斜誤差

慣性測(cè)量單元（IMU）

IMU包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應(yīng)的嵌入式處理程序。這使其能夠在線性移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方面識(shí)別運(yùn)動(dòng)。

Bosch Sensortec的BMI088是一款六軸IMU，具有低噪聲16位加速度計(jì)和低漂移16位陀螺儀。這種高精度設(shè)備的技術(shù)源自高端汽車傳感器，因此可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供出色的偏置和溫度穩(wěn)定性，并具有高振動(dòng)穩(wěn)定性，使其成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的理想選擇。

圖2顯示了BMI088在不同溫度下的典型偏移漂移。

圖2：BMI088在不同溫度下的典型零重力和零速率偏移漂移

所示的加速度計(jì)偏移漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的偏移漂移則小于0.5 dps。此外，BMI088隨溫度變化呈現(xiàn)線性趨勢(shì)，且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用。

氣壓傳感器

無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測(cè)量高度，并與IMU的高度控制讀數(shù)結(jié)合使用。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準(zhǔn)確性。

如今，結(jié)合諸如GPS和光流等附加傳感器，距離傳感器可用于提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。

Bosch Sensortec的新型BMP388氣壓傳感器提供高度信息，以改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸性能。這使得無(wú)人機(jī)控制輕而易舉，由此吸引更廣泛的用戶。

對(duì)無(wú)人機(jī)中壓力傳感器的要求通常非?？量?。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響，高度精度必須保持在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長(zhǎng)時(shí)間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求，相對(duì)精度達(dá)+/-0.08 hPa（+/- 0.66m），絕對(duì)精度為300至1100 hPa +/- 0.5 hPa，低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有極具吸引力的性價(jià)比、低功耗和僅為2.0 x 2.0 x 0.75mm3的極小封裝尺寸。

除了TCO改進(jìn)之外，還有多種因素有助于提高整體精度：相對(duì)準(zhǔn)確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對(duì)精度。從笨拙的玩具到高精度飛機(jī)；只要工程師想得到，目前創(chuàng)新工業(yè)和商業(yè)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用潛力可以說(shuō)無(wú)邊無(wú)際。

磁力計(jì)

磁力計(jì)如同一部指南針，可以根據(jù)地球的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一個(gè)例子，這是一部三軸數(shù)字地磁傳感器。

BMM150與BMI088型IMU結(jié)合使用，可提供九自由度（DoF）解決方案，用于航向估算和導(dǎo)航。在寬泛溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性能、16位分辨率和抗強(qiáng)磁場(chǎng)的能力（無(wú)磁性可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移）使BMM150非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用，并最大限度地減少了傳感器偏移校準(zhǔn)所需的工作量。

應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)

應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個(gè)傳感器組合在一個(gè)封裝中，并配有可編程微控制器。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供靈活的低功耗解決方案。

例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款帶有集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN，用于包括傳感器輸出在內(nèi)的軟件管理。BMF055與定位處理軟件相結(jié)合可用作AHRS。該設(shè)備采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無(wú)人機(jī)應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中作為具有集成傳感器融合算法的定位處理單元的使用。

圖3：BMF055（ASSN）在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中用作AHRS。

信號(hào)處理和軟件

除了單獨(dú)傳感器之外，我們還可以在系統(tǒng)層面對(duì)無(wú)人機(jī)的整體信號(hào)處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行查看，并確定集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。

圖4顯示了典型的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)中的不同信號(hào)處理功能。左側(cè)列顯示單獨(dú)傳感器，右側(cè)列表示派生的軟件處理功能，如定位處理和飛行控制算法。深藍(lán)色傳感器模塊代表最先進(jìn)的傳感器，主要用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和玩具無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，灰色傳感器模塊表示室外飛行和自動(dòng)航路點(diǎn)導(dǎo)航所需的擴(kuò)展可選功能。

使用集成傳感器，某些軟件功能（如定位處理）可通過(guò)主要融合各種傳感器讀數(shù)直接在芯片上獲得執(zhí)行。除了MEMS傳感器，Bosch Sensortec還提供用于定位處理的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件，其中包括傳感器校準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理和定位處理等功能。對(duì)于無(wú)人機(jī)制造商而言，這可以顯著降低工程和軟件的復(fù)雜性、避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

然而，制造商仍然需要提供自己的軟件，特別是無(wú)人機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)特有代碼，例如控制回路和用例特定功能。

圖4：消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的信號(hào)處理概述

典型的無(wú)人機(jī)功能

讓我們來(lái)關(guān)注一下創(chuàng)新MEMS傳感器技術(shù)如何與軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代無(wú)人機(jī)功能。

即使在低成本的玩具無(wú)人機(jī)中，復(fù)雜的功能如今依然十分常見。首先，穩(wěn)定器利用IMU輸出將無(wú)人機(jī)保持在水平位置。通過(guò)集成來(lái)自氣壓傳感器的數(shù)據(jù)使無(wú)人機(jī)保持在其高度和位置，例如在玩具應(yīng)用中，可使無(wú)人機(jī)翻轉(zhuǎn)而不改變高度。結(jié)果便是，飛行員不需要多個(gè)小時(shí)的練習(xí)來(lái)掌握基本動(dòng)作，并且顯著降低了意外碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

與GPS模塊的數(shù)據(jù)融合為無(wú)人機(jī)提供了部分有趣的戶外飛行功能，例如多個(gè)航點(diǎn)之間的自主飛行，以及“返家”功能，即無(wú)人機(jī)自動(dòng)返回其起始位置并安全降落。

其他較新的功能包括“軌道模式”或“跟隨我模式”，即無(wú)人機(jī)圍繞特定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)或具有自主人員跟蹤的能力。通過(guò)結(jié)合相機(jī)，飛行員現(xiàn)在可以從鳥瞰視角進(jìn)行自我觀察，同時(shí)“攜無(wú)人機(jī)散步”，甚至可以通過(guò)手勢(shì)與無(wú)人機(jī)互動(dòng)。

無(wú)拘無(wú)束

機(jī)器人技術(shù)、半導(dǎo)體和當(dāng)今MEMS傳感器的發(fā)展——包括其不斷提高的精度和小型化趨勢(shì)——預(yù)示著未來(lái)無(wú)人遙控飛機(jī)將愈加普及。從天氣或污染監(jiān)測(cè)、牲畜管理、安全或交付系統(tǒng)到下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲或物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，高科技飛機(jī)和無(wú)人機(jī)將在我們的日常生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。而博世的MEMS傳感器將成為其核心。

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