【導讀】無(wú)人機是一種電動(dòng)型無(wú)人航空器（UAV），市面上的主流產(chǎn)品為超過(guò)4個(gè)以上的多螺旋槳型無(wú)人機，因此也被叫做多旋翼無(wú)人機。因其飛行穩定性和懸停性能卓越，促進(jìn)鳥(niǎo)瞰攝影和視頻的發(fā)展，成為全球熱門(mén)商品。
無(wú)人機市場(chǎng)前景
無(wú)人機可分為個(gè)人興趣用和競技用的小型輕量普通民用無(wú)人機，以及可用于專(zhuān)業(yè)的空中拍攝、測量、監控、檢查、農業(yè)、物流等領(lǐng)域的工業(yè)用無(wú)人機。自被稱(chēng)為無(wú)人機元年的2015年以來(lái)，普通民用無(wú)人機一直占據著(zhù)主要市場(chǎng)，近年來(lái)隨著(zhù)工業(yè)用無(wú)人機銷(xiāo)售數增長(cháng)率大幅提升，預測在2023年以后工業(yè)用無(wú)人機出貨數量將超過(guò)普通民用無(wú)人機（圖1）。
圖1：截至2025年全球無(wú)人機出貨數量預測表
無(wú)人機與遙控型旋翼機等的不同之處是：無(wú)人機是搭載有各種傳感器和被稱(chēng)為飛行操縱器軟件的自主飛行型無(wú)人航空器；使用GPS等導航功能，持續獲取自身的位置信息，邊回避可視范圍內外的障礙物邊飛行，并自動(dòng)返航；更可通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)絡(luò )云盤(pán)上共享多臺無(wú)人機的數據，通過(guò)AI解析進(jìn)行有效的信息運用。
目前，無(wú)人機的市場(chǎng)規模和范圍持續蓬勃發(fā)展，隨著(zhù)新應用的不斷涌現，無(wú)人機的應用也越來(lái)越普遍，無(wú)論是運送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂(lè )、安全監控、農業(yè)或工業(yè)管理，或開(kāi)辟航空攝影的新視野。這種普遍應用背后的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機電系統（MEMS）傳感器。
MEMS傳感器對無(wú)人機飛行性能的影響
得益于采用慣性MEMS傳感器，無(wú)人機可確保其方向穩定，并可由用戶(hù)精確控制，甚至可自主飛行。然而，依然存在一些挑戰讓無(wú)人機系統設計變得十分復雜，例如電機未經(jīng)過(guò)完美的校準，有效載荷不同會(huì )影響系統的動(dòng)態(tài)性能，外在飛行條件可能會(huì )發(fā)生急劇的改變，或者傳感器本身也可能引入誤差。這些挑戰會(huì )造成定位處理偏差，并最終導致導航期間的位置偏差，甚至造成無(wú)人機失靈。
要使無(wú)人機超越玩具的范疇，高品質(zhì)MEMS傳感器和先進(jìn)軟件至關(guān)重要。無(wú)人機的慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、應用特定型傳感器節點(diǎn)（ASSN）和傳感器數據融合的精度對其飛行性能有著(zhù)直接和實(shí)質(zhì)性的影響。
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)）都對傳感器提出了更高的要求。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)現出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準和數據融合；機械系統設計，例如減少振動(dòng)，以及根據無(wú)人機制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們通過(guò)一些示例來(lái)仔細研究一下MEMS傳感器。
多種MEMS傳感器技術(shù)在無(wú)人機中的具體應用
無(wú)人機的核心是姿態(tài)航向參照系統（AHRS），其中包括慣性傳感器、磁力計和處理單元。AHRS估算設備定位，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 )導致定位錯誤。下圖顯示了加速度計偏移函數形式的定位誤差（滾動(dòng)、俯仰角），這通常是造成傳感器連續誤差的核心根源（圖2）。例如，僅20mg的加速度計偏移便會(huì )導致設備方向出現1度誤差。
圖2：加速度計偏移引起的傾斜誤差
慣性測量單元（IMU）包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應的嵌入式處理能力，這使其能夠在線(xiàn)性移動(dòng)和旋轉方面識別運動(dòng)。磁力計如同一部指南針，可以根據地球的磁場(chǎng)建議無(wú)人機的航向。
無(wú)人機內置的高性能氣壓傳感器可精確測量高度，可以與IMU的測量結果結合使用，一起進(jìn)行高度控制。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準確性。對無(wú)人機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，必須將傳感器的精度保持在嚴格的公差范圍內，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長(cháng)時(shí)間下的極低漂移。
應用特定型傳感器節點(diǎn)（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線(xiàn)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。它為運動(dòng)傳感應用提供靈活的低功耗解決方案。
除了單獨傳感器之外，我們還可以在系統層面對無(wú)人機的整體信號處理結構進(jìn)行查看，并確定集成傳感器讀數和控制所需的軟件。通過(guò)使用這些集成傳感器，以及對各種傳感器數據進(jìn)行融合，可以直接在芯片上執行某些軟件功能（比如定向處理）。除了MEMS傳感器，Bosch Sensortec還提供用于定位處理的傳感器數據融合軟件，其中包括傳感器校準、傳感器數據預處理和定位處理等功能。對于無(wú)人機制造商而言，這可以顯著(zhù)降低工程和軟件的復雜性、避免不必要的風(fēng)險并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
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