无人机技术核心——MEMS传感器

航姿参考系统(AHRS)是无人机的“心脏”,它包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS可预估设备的行进方向,如滚转、俯仰和偏航的角度。

        无人机的市场正在蓬勃发展,似乎每隔一天就会出现新的应用。无论是邮件或包裹的传递、老少皆宜的娱乐、安全监控、农业或工业的管理,还是开拓航拍摄影的新天地,无人机的身影都是随处可见的。最初,大多数无人机不过是简单的玩具。然而,最近它们的飞行能力有了显著地提高,操控更安全、更稳定、更容易,从而使它们在现实生活中的应用也越来越广泛。


        这些能力提高的关键因素是使用了高性能的微机电系统(MEMS)传感器,因而无人机中的传感器市场正在快速地增长:根据IHS Markit调研数据,应用于无人机和玩具直升机的MEMS运动传感器市场增长强劲,预计到2021年将达到7亿美元,2018年到2021年的复合年增长率为17%。

        影响无人机飞行性能的MEMS传感器

        无人机能够保持方向稳定、被用户精准操控,或者自动飞行,都依赖于惯性MEMS传感器。然而,无人机面临的一些挑战使其系统设计变得复杂:电机校准得不够完美、系统动力随负载不同而变化、运行条件迅速变换,或者传感器引入不准确的信息。这些都可能导致定位处理产生偏差,最终导致导航时出现位置错误,甚至导致无人机故障。

        要让无人机不只是玩具,甚至水平“更上一层楼”,高性能的MEMS传感器和先进的软件是必不可少的。无人机上高精度的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、磁力计、专用传感器节点(ASSN)以及传感器之间的数据融合,都对其飞行性能有直接和实质性的影响。受尺寸限制以及苛刻的环境和运行条件,如温度波动和振动,都对传感器的要求提升到新的水平。MEMS传感器必须尽可能地减少这些影响,并提供精准可靠的测量。

        实现卓越的飞行性能的方法主要有:软件算法(如传感器校准和数据融合)、机械系统设计(如减少振动),以及根据无人机制造商的要求和需求选择MEMS传感器。下面我们通过一些具体模块重点关注一下MEMS传感器。

        航姿参考系统(AHRS)是无人机的“心脏”,它包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS可预估设备的行进方向,如滚转、俯仰和偏航的角度。传感器的不准确性,如偏移、灵敏度误差或热漂移,会导致定向误差。图1显示了定向误差(滚动、俯仰角度)与加速度计偏移的函数关系,定向误差通常是传感器误差链中最大的因素。例如,仅20 mg的加速度偏移量将导致设备出现1度的方向误差。


图1 加速度计偏移引起的方向误差

        惯性测量单元(IMU)

        IMU包括加速度计和陀螺仪,并带有嵌入式处理程序。这使它能够确定运动轨迹,包括线性运动和旋转。


        气压传感器

        无人机内置的高性能气压传感器能精确测量高度,并可与IMU的读数结合用于高度控制。气压传感器必须尽可能减少外部的影响和误差。目前,与其他传感器,例如GPS和光流传感器、测距传感器结合使用,可提高系统的可靠性并减少位置误差。无人机对气压传感器的要求通常极端苛刻。即便遭受不良天气和气温影响,高度精度也必须控制在严格的公差范围内,另外随时间推移传感器必须保持低延迟和微乎其微的漂移量。

        磁力计

        磁力计就像是指南针,可以根据地球的磁场为无人机确立航向。

        专用传感器节点

        专用传感器节点(ASSN)是指高度集成的智能传感集线器,它能将多个传感器集成在一个封装体中,并配有可编程的微控制器。它为运动传感应用提供灵活而低功耗的解决方案。例如,一款集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、可处理软件的32位Cortex M0+微控制器,以及各传感器的输出端的ASSN。与定向处理软件相结合,可用作AHRS。


图2 ASSN在无人机中AHRS应用

        信号处理和软件

        除了各个传感器之外,我们还可以了解一下无人机的信号处理整体结构的系统示意图,以及集成传感器读数和控制所需的软件。将各种传感器集成一体,并进行数据融合,就可以直接在芯片上执行定向处理等软件功能。对于无人机制造商而言,这可以显著地降低工程和软件的复杂性,减少不必要的风险并缩短产品上市时间。


图3 消费级无人机的信号处理示意图

        典型的消费级无人机中用于不同信号处理的功能模块。左侧列显示为各个传感器,右侧列表示其派生的软件处理功能,如方向处理和飞行控制算法。深蓝色方块的传感器是实现室内和玩具无人机的最佳稳定控制必不可少的传感器,灰色方块则表示可选传感器,可用于扩展室外飞行和自动航点导航功能。

        典型的无人机功能

        现在,即便是低成本的玩具无人机,也普遍具有复杂的功能。首先,通过利用IMU的输出,稳定器能将无人机保持水平。通过集成来自气压传感器的数据,能够将无人机维持高度和位置不变。例如,在玩具应用中,它可控制无人机在高度不变时进行翻转。结果是操控师不再需要花费那么多小时的练习来掌握基本操控,且会显著降低发生意外碰撞的风险。

        与GPS模块的数据融合为无人机户外飞行增添一些有趣的功能,例如,在几个航点之间自动飞行,以及“返回家”功能——无人机能够自动返回并安全降落到起始位置。

        其他新颖的功能还包括“轨道模式”或“跟随我模式”,无人机可以围绕特定点旋转或可以自主跟随一个人。与摄像头相结合,操控师可以在“带着无人机散步”时,从“鸟瞰视图”中看到自己,或者通过手势与无人机互动。

        天空不会是极限

        随着机器人、半导体和当前的MEMS传感器技术的发展,尤其是不断提升的精密度和小型化,预示着在未来无人遥控飞机将更为普及。从天气或空气污染物的监测、牲畜的管理、安全或快递系统到下一代增强现实游戏或物联网(IoT)平台,高科技的飞机和无人机在我们的日常生活中发挥的作用越来越重要,MEMS传感器将为它们铸造强大的“心脏”。

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