MEMS传感器:无人机的心脏

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-10  浏览次数:2394
核心提示:MEMS传感器:无人机的心脏最初,大多数无人机都是相对简单的玩具。然而,最近,它的飞行能力显著提高,其更安全、更稳定、更容易
 MEMS传感器:无人机的心脏

最初,大多数无人机都是相对简单的玩具。然而,最近,它的飞行能力显著提高,其更安全、更稳定、更容易控制这些优点使其得到更广泛的应用。
高性能微机电系统(MEMS)传感器的应用是这一改进的关键因素之一。无人机传感器市场正在快速增长:
根据IHS Markit(消费和移动设备运动传感器——2017年)的数据,到2021年,无人机和玩具直升机的MEMS运动传感器(即加速度计、陀螺仪、IMU和压力传感器)市场预计将达到约7000万台,2018年至2021年复合增长17%。
MEMS传感器对无人机飞行性能的影响
由于使用了惯性MEMS传感器,无人机可以确保其方向稳定,可以由用户精确控制,甚至可以自主飞行。然而,一些挑战使无人机系统设计复杂化,例如电机校准不完善、系统动力学可能因有效载荷、突然运行条件或传感器错误而变化。这些挑战可能导致定位过程中的偏差,最终导致导航过程中的偏差,甚至导致无人机故障。
高质量的MEMS传感器和先进的软件对于无人机超越玩具至关重要。惯性测量单元(IMU)、气压传感器、地磁传感器、专用传感器节点(ASSN)和传感器数据融合的精度对无人机的飞行性能有着直接而实质性的影响。
尺寸限制和恶劣的环境和操作条件,如温度变化和振动,将传感器的要求提高到新的水平。MEMS传感器必须尽可能避免这些影响,并提供准确可靠的测量。
实现卓越飞行性能的方法有很多:软件算法,如传感器校准和数据融合;机械系统设计,如减振,以及根据无人机制造商自身的要求选择MEMS传感器。让我们仔细看看MEMS传感器,并参考一些例子。
无人机的核心是姿态航向参考系统(AHRS),它包括惯性传感器、磁强计和处理单元。AHRS估计设备的位置,如横摇、纵摇和横摆角。传感器误差(如漂移、灵敏度误差或热漂移)可导致定位误差。图1显示了加速度计的偏移函数形式的定位误差(滚动、俯仰角),这通常是传感器连续误差的核心来源。例如,加速度计的偏移量仅为20毫克,会导致装置方向出现1度误差。
图1:加速度计偏移引起的倾斜误差
惯性测量单元
IMU包括加速度传感器和陀螺仪,以及相应的嵌入式处理器。这使得它能够根据直线运动和旋转来识别运动。
博世传感器的BMI088是一个六轴IMU与低噪声16位加速度计和低漂移16位陀螺仪。源自高端汽车传感器的高精度技术在长时间内提供卓越的偏压和温度稳定性,以及高振动稳定性,使其成为无人机应用的理想选择。
图2显示了BMI088在不同温度下的典型漂移。
图2 BMI088在不同温度下的典型零重力和零速率偏移漂移
所示加速度计的漂移范围仅为10 mg,而陀螺仪传感器的漂移范围小于0.5 dps。此外,bmi088随温度变化呈线性趋势,且滞后很小。这使得bmi088非常适合无人机和机器人应用。
气压传感器
无人机内置的高性能气压传感器可以精确测量高度,并与IMU的高度控制读数结合使用。压力传感器必须尽可能不受外部影响和不准确性。
如今,由于增加了GPS和光流等传感器,距离传感器可用于提高系统可靠性和减少位置误差。
博世传感器公司的新BMP388空气压力传感器提供高度信息,以提高飞行稳定性,高度控制,起飞和着陆性能。这使得控制无人机变得容易,从而吸引更多的用户。
无人机中的压力传感器通常要求很高。由于天气和温度条件不理想,高度精度必须保持在严格的公差范围内,传感器必须在很长一段时间内具有低延迟和极低漂移。BMP388符合这些严格的要求,相对精度为+/-0.08 hpa(+/-0.66 m),绝对精度为300至1100 hpa+/-0.5 hpa,低TCO通常小于0.75 pa/k。它具有吸引人的成本性能,低功耗,只有2.0 x 2.0 x 0.75 mm?最小包装尺寸。
除了TCO改进之外,还有几个因素有助于提高整体精度:相对精度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨重的玩具到高精度的飞机;就工程师而言,创新的工业和商业无人驾驶飞行器的潜力是无限的。
磁力计
像指南针一样,磁力计可以根据地球磁场跟踪无人机。一个例子是博世传感器技术公司的BMM150,一个三轴数字地磁传感器。
结合bmi088 IMU,BMM150为航向估算和导航提供了九自由度(DOF)解决方案。宽温度范围、16位分辨率和强磁场电阻(非磁性稳定传感器偏移)的稳定性使BMM150非常适合无人机应用,并将传感器偏移校准所需的工作量降至最低。
应用特定型传感器节点
特定型传感器节点(ASSN)提供高度集成的智能传感器集线器,将多个传感器与可编程微控制器组合在一个包中。它为运动传感应用提供了灵活的低功耗解决方案。
例如,博世传感器技术公司的BMF055是一个具有集成加速度计、陀螺仪、磁强计和32位Cortexm0+微控制器的ASSN,用于软件管理,包括传感器输出。BMF055可以与位置处理软件一起用作AHR。该装置采用5.2x 3.8x 1.1mm3紧凑包装,节省了宝贵的空间和重量。该传感器为无人机应用提供了一个集成包。图3显示了在无人机应用中使用BMF055作为带有集成传感器融合算法的定位处理单元。
图3:BMF055(ASSN)在无人机应用中用作AHR。
信号处理及软件
除个别传感器外,我们还可以在系统级查看无人机的整体信号处理结构,并确定集成传感器读数和控制所需的软件。
图4显示了典型用户无人机中不同的信号处理功能。左栏显示单个传感器,右栏显示衍生的软件处理功能,如位置处理和飞行控制算法。深蓝色传感器模块代表最先进的传感器,主要用于实现室内和玩具无人机的稳定,灰色传感器模块代表室外飞行和自动航路点导航所需的扩展可选功能。
使用集成传感器,某些软件功能(如定位处理)可以通过主要融合各种传感器读数直接在芯片上执行。除了MEMS传感器外,博世传感器技术公司还提供传感器数据融合软件用于定位处理,包括传感器校准、传感器数据预处理、定位处理等功能。对于无人机制造商来说,这可以显著降低工程和软件的复杂性,避免不必要的风险,缩短上市时间。
然而,制造商仍然需要提供他们自己的软件,特别是针对无人机的机械设计和动力学特定代码,如控制回路和用例特定功能。
图4:无人机用户信号处理概述
典型的无人机功能
让我们看看创新的MEMS传感器技术如何与软件结合,以实现现代无人机功能。
即使在低成本的玩具无人机中,复杂的功能现在也司空见惯。首先,稳定器使用IMU输出将无人机保持在水平位置。通过整合来自压力传感器的数据来保持无人机处于其高度和位置,例如在玩具应用程序中,无人机可以在不改变其高度的情况下翻转。因此,操作员不需要花多少时间的练习来掌握基本动作,并显著降低意外碰撞的风险。
GPS模块的数据融合为无人机提供了一些有趣的户外飞行功能,如多个飞行点之间的自主飞行和“返航”功能,即无人机自动返回初始位置并安全着陆。
其他较新的功能包括“轨道模式”或“跟我走模式”,其中无人机围绕一个特定的点旋转,或有能力跟踪一个自主的人。通过相机的组合,飞行员现在可以在“与无人机一起行走”或甚至通过手势与无人机互动时从鸟瞰图观察自己。
无拘无束
机器人、半导体和当今MEMS传感器的发展,包括其日益精确和小型化的趋势,预示着未来无人机将越来越普遍。从天气或污染监测、牲畜管理、安全或运输系统到下一代增强现实游戏或物联网平台,高科技飞机和无人机将在我们的日常生活中发挥越来越重要的作用。
 
 
关键词: MEMS传感器 无人机
 
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