最初，大多數(shù)無人機(jī)都是相對簡單的玩具。然而，最近，它的飛行能力顯著提高，其更安全、更穩(wěn)定、更容易控制這些優(yōu)點使其得到更廣泛的應(yīng)用。

　　高性能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的應(yīng)用是這一改進(jìn)的關(guān)鍵因素之一。無人機(jī)傳感器市場正在快速增長：

　　根據(jù)IHS Markit（消費和移動設(shè)備運動傳感器——2017年）的數(shù)據(jù)，到2021年，無人機(jī)和玩具直升機(jī)的MEMS運動傳感器（即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）市場預(yù)計將達(dá)到約7000萬臺，2018年至2021年復(fù)合增長17%。

　　MEMS傳感器對無人機(jī)飛行性能的影響

　　由于使用了慣性MEMS傳感器，無人機(jī)可以確保其方向穩(wěn)定，可以由用戶精確控制，甚至可以自主飛行。然而，一些挑戰(zhàn)使無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜化，例如電機(jī)校準(zhǔn)不完善、系統(tǒng)動力學(xué)可能因有效載荷、突然運行條件或傳感器錯誤而變化。這些挑戰(zhàn)可能導(dǎo)致定位過程中的偏差，最終導(dǎo)致導(dǎo)航過程中的偏差，甚至導(dǎo)致無人機(jī)故障。

　　高質(zhì)量的MEMS傳感器和先進(jìn)的軟件對于無人機(jī)超越玩具至關(guān)重要。慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、專用傳感器節(jié)點（ASSN）和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對無人機(jī)的飛行性能有著直接而實質(zhì)性的影響。

　　尺寸限制和惡劣的環(huán)境和操作條件，如溫度變化和振動，將傳感器的要求提高到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供準(zhǔn)確可靠的測量。

　　實現(xiàn)卓越飛行性能的方法有很多：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，如減振，以及根據(jù)無人機(jī)制造商自身的要求選擇MEMS傳感器。讓我們仔細(xì)看看MEMS傳感器，并參考一些例子。

　　無人機(jī)的核心是姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（AHRS），它包括慣性傳感器、磁強(qiáng)計和處理單元。AHRS估計設(shè)備的位置，如橫搖、縱搖和橫擺角。傳感器誤差（如漂移、靈敏度誤差或熱漂移）可導(dǎo)致定位誤差。圖1顯示了加速度計的偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動、俯仰角），這通常是傳感器連續(xù)誤差的核心來源。例如，加速度計的偏移量僅為20毫克，會導(dǎo)致裝置方向出現(xiàn)1度誤差。

　　圖1：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(yīng)的嵌入式處理器。這使得它能夠根據(jù)直線運動和旋轉(zhuǎn)來識別運動。

　　BMI088是一個六軸IMU與低噪聲16位加速度計和低漂移16位陀螺儀。源自高端汽車傳感器的高精度技術(shù)在長時間內(nèi)提供卓越的偏壓和溫度穩(wěn)定性，以及高振動穩(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

　　所示加速度計的漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的漂移范圍小于0.5 dps。此外，bmi088隨溫度變化呈線性趨勢，且滯后很小。這使得bmi088非常適合無人機(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以精確測量高度，并與IMU的高度控制讀數(shù)結(jié)合使用。壓力傳感器必須盡可能不受外部影響和不準(zhǔn)確性。

　　如今，由于增加了GPS和光流等傳感器，距離傳感器可用于提高系統(tǒng)可靠性和減少位置誤差。

　　新BMP388空氣壓力傳感器提供高度信息，以提高飛行穩(wěn)定性，高度控制，起飛和著陸性能。這使得控制無人機(jī)變得容易，從而吸引更多的用戶。

　　無人機(jī)中的壓力傳感器通常要求很高。由于天氣和溫度條件不理想，高度精度必須保持在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，傳感器必須在很長一段時間內(nèi)具有低延遲和極低漂移。BMP388符合這些嚴(yán)格的要求，相對精度為+/-0.08 hpa（+/-0.66 m），絕對精度為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最小包裝尺寸。

　　除了TCO改進(jìn)之外，還有幾個因素有助于提高整體精度：相對精度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對精度。從笨重的玩具到高精度的飛機(jī)；就工程師而言，創(chuàng)新的工業(yè)和商業(yè)無人駕駛飛行器的潛力是無限的。

　　磁力計

　　像指南針一樣，磁力計可以根據(jù)地球磁場跟蹤無人機(jī)。結(jié)合bmi088 IMU，BMM150為航向估算和導(dǎo)航提供了九自由度（DOF）解決方案。寬溫度范圍、16位分辨率和強(qiáng)磁場電阻（非磁性穩(wěn)定傳感器偏移）的穩(wěn)定性使BMM150非常適合無人機(jī)應(yīng)用，并將傳感器偏移校準(zhǔn)所需的工作量降至最低。

　　應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點

　　特定型傳感器節(jié)點（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個傳感器與可編程微控制器組合在一個包中。它為運動傳感應(yīng)用提供了靈活的低功耗解決方案。

　　例如，BMF055是一個具有集成加速度計、陀螺儀、磁強(qiáng)計和32位Cortexm0+微控制器的ASSN，用于軟件管理，包括傳感器輸出。BMF055可以與位置處理軟件一起用作AHR。該裝置采用5.2x 3.8x 1.1mm3緊湊包裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機(jī)應(yīng)用提供了一個集成包。圖3顯示了在無人機(jī)應(yīng)用中使用BMF055作為帶有集成傳感器融合算法的定位處理單元。

　　圖3:BMF055（ASSN）在無人機(jī)應(yīng)用中用作AHR。

　　信號處理及軟件

　　除個別傳感器外，我們還可以在系統(tǒng)級查看無人機(jī)的整體信號處理結(jié)構(gòu)，并確定集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。

圖4：無人機(jī)用戶信號處理概述

　　圖4顯示了典型用戶無人機(jī)中不同的信號處理功能。左欄顯示單個傳感器，右欄顯示衍生的軟件處理功能，如位置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，主要用于實現(xiàn)室內(nèi)和玩具無人機(jī)的穩(wěn)定，灰色傳感器模塊代表室外飛行和自動航路點導(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）可以通過主要融合各種傳感器讀數(shù)直接在芯片上執(zhí)行。除了MEMS傳感器外，傳感器數(shù)據(jù)融合軟件用于定位處理，包括傳感器校準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理、定位處理等功能。對于無人機(jī)制造商來說，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，縮短上市時間。

　　然而，制造商仍然需要提供他們自己的軟件，特別是針對無人機(jī)的機(jī)械設(shè)計和動力學(xué)特定代碼，如控制回路和用例特定功能。

　　典型的無人機(jī)功能

　　讓我們看看創(chuàng)新的MEMS傳感器技術(shù)如何與軟件結(jié)合，以實現(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)雜的功能現(xiàn)在也司空見慣。首先，穩(wěn)定器使用IMU輸出將無人機(jī)保持在水平位置。通過整合來自壓力傳感器的數(shù)據(jù)來保持無人機(jī)處于其高度和位置，例如在玩具應(yīng)用程序中，無人機(jī)可以在不改變其高度的情況下翻轉(zhuǎn)。因此，操作員不需要花多少時間的練習(xí)來掌握基本動作，并顯著降低意外碰撞的風(fēng)險。

　　GPS模塊的數(shù)據(jù)融合為無人機(jī)提供了一些有趣的戶外飛行功能，如多個飛行點之間的自主飛行和“返航”功能，即無人機(jī)自動返回初始位置并安全著陸。

　　其他較新的功能包括“軌道模式”或“跟我走模式”，其中無人機(jī)圍繞一個特定的點旋轉(zhuǎn)，或有能力跟蹤一個自主的人。通過相機(jī)的組合，飛行員現(xiàn)在可以在“與無人機(jī)一起行走”或甚至通過手勢與無人機(jī)互動時從鳥瞰圖觀察自己。

　　無拘無束

　　機(jī)器人、半導(dǎo)體和當(dāng)今MEMS傳感器的發(fā)展，包括其日益精確和小型化的趨勢，預(yù)示著未來無人機(jī)將越來越普遍。從天氣或污染監(jiān)測、牲畜管理、安全或運輸系統(tǒng)到下一代增強(qiáng)現(xiàn)實游戲或物聯(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。

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