最初，大多數無(wú)人機不過(guò)是簡(jiǎn)單的玩具。然而，最近它們的飛行能力有了顯著(zhù)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(shí)生活中的應用也越來(lái)越廣泛。

 

這些能力提高的關(guān)鍵因素是使用了高性能的微機電系統（MEMS）傳感器，因而無(wú)人機中的傳感器市場(chǎng)正在快速地增長(cháng)：根據Yole《應用于無(wú)人機和機器人的傳感器》報告數據，應用于無(wú)人機和機器人的傳感器市場(chǎng)增長(cháng)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(cháng)率為12.4%。

 

影響無(wú)人機飛行性能的MEMS傳感器

 

無(wú)人機能夠保持方向穩定、被用戶(hù)精準操控，或者自動(dòng)飛行，都依賴(lài)于慣性MEMS傳感器。然而，無(wú)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(dòng)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(chǎn)生偏差，最終導致導航時(shí)出現位置錯誤，甚至導致無(wú)人機故障。

 

要讓無(wú)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(jìn)的軟件是必不可少的。高級無(wú)人機上高精度的慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、磁力計、專(zhuān)用傳感器節點(diǎn)（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(shí)質(zhì)性的影響。

 

受尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和運行條件，如溫度波動(dòng)和振動(dòng)，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(shí)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(dòng)），以及根據無(wú)人機制造商的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面我們通過(guò)一些實(shí)例重點(diǎn)關(guān)注一下MEMS傳感器。

 

航姿參考系統（AHRS）是無(wú)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(jìn)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(huì )導致定向誤差。圖1顯示了定向誤差（滾動(dòng)、俯仰角度）與加速度計偏移的函數關(guān)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。

 

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(dòng)軌跡，包括線(xiàn)性運動(dòng)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(shù)源自高端汽車(chē)傳感器，因此它可以在較長(cháng)時(shí)間內保持出色的偏置和溫度穩定性，以及具有卓越的振動(dòng)魯棒性，使其成為無(wú)人機的理想選擇。

 

圖2顯示了BMI088隨溫度漂移的典型值。

 

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?xún)群屯勇輧x的偏移范圍小于0.5 dps。此外，BMI088行為表現與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，且幾乎沒(méi)有滯后現象。這使得BMI088在無(wú)人機和機器人中應用極具吸引力。

 

氣壓傳感器

 

無(wú)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(zhù)陸的性能。這使得操控無(wú)人機變得輕而易舉，因此能吸引到更廣泛的用戶(hù)。

 

無(wú)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(shí)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(mǎn)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?xún)r(jià)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(wú)人機在工業(yè)和商業(yè)創(chuàng )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(chǎng)為無(wú)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(gè)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(chǎng)能力（無(wú)磁化提供穩定的傳感器偏移），因而非常適合無(wú)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(zhuān)用傳感器節點(diǎn)

 

專(zhuān)用傳感器節點(diǎn)（ASSN）是指高度集成的智能傳感集線(xiàn)器，它能將多個(gè)傳感器集成在一個(gè)封裝體中，并配有可編程的微控制器。它為運動(dòng)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(wú)人機應用提供了一體化封裝。圖3演示了BMF055在無(wú)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。

 

圖3：BMF055（ASSN）在無(wú)人機中AHRS應用

 

信號處理和軟件

 

除了各個(gè)傳感器之外，我們還可以了解一下無(wú)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(wú)人機中用于不同信號處理的功能模塊。左側列顯示為各個(gè)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(shí)現室內和玩具無(wú)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(dòng)航點(diǎn)導航功能。

 

圖4：消費級無(wú)人機的信號處理示意圖

 

將各種傳感器集成一體，并進(jìn)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(wú)人機制造商而言，這可以顯著(zhù)地降低工程和軟件的復雜性，減少不必要的風(fēng)險并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

 

然而，制造商仍然需要為無(wú)人機的機械設計和動(dòng)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(wú)人機功能

 

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

 

與GPS模塊的數據融合為無(wú)人機戶(hù)外飛行增添一些有趣的功能，例如，在幾個(gè)航點(diǎn)之間自動(dòng)飛行，以及“返回家”功能——無(wú)人機能夠自動(dòng)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(wú)人機可以圍繞特定點(diǎn)旋轉或可以自主跟隨一個(gè)人。與攝像頭相結合，操控師可以在“帶著(zhù)無(wú)人機散步”時(shí)，從“鳥(niǎo)瞰視圖”中看到自己，或者通過(guò)手勢與無(wú)人機互動(dòng)。

 

海闊天空任我游

 

隨著(zhù)機器人、半導體和當前的MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展，尤其是不斷提升的精密度和小型化，預示著(zhù)在未來(lái)無(wú)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(shí)游戲或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺，高科技的飛機和無(wú)人機在我們的日常生活中發(fā)揮的作用越來(lái)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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