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    MEMS傳感器——無人機(jī)的核心

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

    無人機(jī)的市場規(guī)模和范圍持續(xù)蓬勃發(fā)展,新應(yīng)用程序不斷涌現(xiàn)。無人機(jī)的應(yīng)用也越來越普遍,無論是運(yùn)送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂、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)無人機(jī)都是相對簡單的玩具。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。并且無人機(jī)傳感器市場正在快速增長:

    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)的市場至2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬臺,而其2018至2021復(fù)合年增長率可達(dá)到17%。

    MEMS傳感器對無人機(jī)飛行性能的影響

    得益于采用慣性MEMS傳感器,無人機(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,甚至造成無人機(jī)失效。

    要使無人機(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。無人機(jī)的慣性測量單元(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,且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用。

    氣壓傳感器

    無人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測量高度,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。這使得無人機(jī)控制輕而易舉,由此吸引更廣泛的用戶。

    對無人機(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,以及在長時(shí)間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求,相對精度達(dá)+/-0.08 hPa(+/- 0.66m),絕對精度為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:相對準(zhǔn)確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對精度。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)無人機(jī)的應(yīng)用潛力可以說無邊無際。

    磁力計(jì)

    磁力計(jì)如同一部指南針,可以根據(jù)地球的磁場實(shí)現(xiàn)無人機(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)磁場的能力(無磁性可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移)使BMM150非常適合無人機(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。該傳感器為無人機(jī)應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無人機(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)在無人機(jī)應(yīng)用中用作AHRS。

    信號處理和軟件

    除了單獨(dú)傳感器之外,我們還可以在系統(tǒng)層面對無人機(jī)的整體信號處理結(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)級無人機(jī)中的不同信號處理功能。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。對于無人機(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)級無人機(jī)的信號處理概述

    典型的無人機(jī)功能

    讓我們來關(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)代無人機(jī)功能。

    即使在低成本的玩具無人機(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輸出將無人機(jī)保持在水平位置。通過集成來自氣壓傳感器的數(shù)據(jù)使無人機(jī)保持在其高度和位置,例如在玩具應(yīng)用中,可使無人機(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)“攜無人機(jī)散步”,甚至可以通過手勢與無人機(jī)互動(dòng)。

    無拘無束

    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——預(yù)示著未來無人遙控飛機(jī)將愈加普及。從天氣或污染監(jiān)測、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,高科技飛機(jī)和無人機(jī)將在我們的日常生活中發(fā)揮越來越重要的作用。而博世的MEMS傳感器將成為其核心。

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    2019-05-06
    MEMS傳感器——無人機(jī)的核心
    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)的市場至2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬臺,而其2018至2021復(fù)合年增長率可達(dá)到17%。

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