MEMS傳感器——無人機的核心

  無人機的市場規(guī)模和范圍持續(xù)蓬勃發(fā)展，新應用程序不斷涌現(xiàn)。無人機的應用也越來越普遍，無論是運送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)管理，或開辟航空攝影的新視野。

  最初，大多數(shù)無人機都是相對簡單的玩具。然而最近，其飛行能力顯著提高，使其更安全、更穩(wěn)定、更易于控制，從而能夠用于更廣泛的現(xiàn)實生活應用。

  這種改進的關鍵因素之一便是使用了高性能微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。并且無人機傳感器市場正在快速增長：

  根據(jù)IHS Markit（消費者和移動設備運動傳感器——2017年）的數(shù)據(jù)，無人機和玩具直升機中MEMS運動傳感器（即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）的市場至2021年預計將達到約7000萬臺，而其2018至2021復合年增長率可達到17％。

  MEMS傳感器對無人機飛行性能的影響

  得益于采用慣性MEMS傳感器，無人機可確保其方向穩(wěn)定，并可由用戶精確控制，甚至可自主飛行。然而，一些挑戰(zhàn)使無人機系統(tǒng)設計變得十分復雜，例如電機未完美校準，系統(tǒng)動態(tài)可能根據(jù)有效載荷而變化，操作條件可能出現(xiàn)突變，或傳感器存在誤差。這些挑戰(zhàn)會造成定位處理偏差，并最終導致導航期間的位置偏差，甚至造成無人機失效。

  要使無人機超越玩具的范疇，高品質(zhì)MEMS傳感器和先進軟件至關重要。無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(jié)點（ASSN）和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對其飛行性能有著直接和實質(zhì)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）將對傳感器的要求提升到新的水平。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。

  有多種方法可以實現(xiàn)出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準和數(shù)據(jù)融合；機械系統(tǒng)設計，例如減少振動，以及根據(jù)無人機制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們仔細研究一下MEMS傳感器并參考部分示例。

  無人機的核心在于其姿態(tài)航向參照系統(tǒng)（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、俯仰和偏航角。傳感器誤差（如偏移、靈敏度誤差或熱漂移）會導致定位錯誤。圖1顯示了加速度計偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動、俯仰角），這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源。例如，僅20 mg的加速度計偏移便會導致設備方向出現(xiàn)1度誤差。

  慣性測量單元（IMU）

  IMU包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應的嵌入式處理程序。這使其能夠在線性移動和旋轉(zhuǎn)方面識別運動。

  Bosch Sensortec的BMI088是一款六軸IMU，具有低噪聲16位加速度計和低漂移16位陀螺儀。這種高精度設備的技術源自高端汽車傳感器，因此可在長時間內(nèi)提供出色的偏置和溫度穩(wěn)定性，并具有高振動穩(wěn)定性，使其成為無人機應用的理想選擇。


  所示的加速度計偏移漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的偏移漂移則小于0.5 dps。此外，BMI088隨溫度變化呈現(xiàn)線性趨勢，且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無人機和機器人應用。

  氣壓傳感器

  無人機內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測量高度，并與IMU的高度控制讀數(shù)結合使用。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準確性。

  如今，結合諸如GPS和光流等附加傳感器，距離傳感器可用于提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。

  Bosch Sensortec的新型BMP388氣壓傳感器提供高度信息，以改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸性能。這使得無人機控制輕而易舉，由此吸引更廣泛的用戶。

  對無人機中壓力傳感器的要求通常非常苛刻。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響，高度精度必須保持在嚴格的公差范圍內(nèi)，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長時間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求，相對精度達+/-0.08 hPa（+/-0.66m），絕對精度為300至1100 hPa+/-0.5 hPa，低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有極具吸引力的性價比、低功耗和僅為2.0 x 2.0 x 0.75mm3的極小封裝尺寸。

  除了TCO改進之外，還有多種因素有助于提高整體精度：相對準確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對精度。從笨拙的玩具到高精度飛機；只要工程師想得到，目前創(chuàng)新工業(yè)和商業(yè)無人機的應用潛力可以說無邊無際。

  磁力計

  磁力計如同一部指南針，可以根據(jù)地球的磁場實現(xiàn)無人機的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一個例子，這是一部三軸數(shù)字地磁傳感器。

  BMM150與BMI088型IMU結合使用，可提供九自由度（DoF）解決方案，用于航向估算和導航。在寬泛溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性能、16位分辨率和抗強磁場的能力（無磁性可實現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移）使BMM150非常適合無人機應用，并最大限度地減少了傳感器偏移校準所需的工作量。

  應用特定型傳感器節(jié)點

  應用特定型傳感器節(jié)點（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個傳感器組合在一個封裝中，并配有可編程微控制器。它為運動傳感應用提供靈活的低功耗解決方案。

  例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款帶有集成加速度計、陀螺儀、磁力計和32位Cortex M0+微控制器的ASSN，用于包括傳感器輸出在內(nèi)的軟件管理。BMF055與定位處理軟件相結合可用作AHRS。該設備采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機應用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無人機應用中作為具有集成傳感器融合算法的定位處理單元的使用。

圖3：BMF055（ASSN）在無人機應用中用作AHRS。

  信號處理和軟件

  除了單獨傳感器之外，我們還可以在系統(tǒng)層面對無人機的整體信號處理結構進行查看，并確定集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。

  圖4顯示了典型的消費級無人機中的不同信號處理功能。左側(cè)列顯示單獨傳感器，右側(cè)列表示派生的軟件處理功能，如定位處理和飛行控制算法。深藍色傳感器模塊代表最先進的傳感器，主要用于實現(xiàn)室內(nèi)和玩具無人機的穩(wěn)定性，灰色傳感器模塊表示室外飛行和自動航路點導航所需的擴展可選功能。

  使用集成傳感器，某些軟件功能（如定位處理）可通過主要融合各種傳感器讀數(shù)直接在芯片上獲得執(zhí)行。除了MEMS傳感器，Bosch Sensortec還提供用于定位處理的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件，其中包括傳感器校準、傳感器數(shù)據(jù)預處理和定位處理等功能。對于無人機制造商而言，這可以顯著降低工程和軟件的復雜性、避免不必要的風險并縮短產(chǎn)品上市時間。

  然而，制造商仍然需要提供自己的軟件，特別是無人機的機械設計和動力學特有代碼，例如控制回路和用例特定功能。

  典型的無人機功能

  讓我們來關注一下創(chuàng)新MEMS傳感器技術如何與軟件相結合，實現(xiàn)現(xiàn)代無人機功能。

  即使在低成本的玩具無人機中，復雜的功能如今依然十分常見。首先，穩(wěn)定器利用IMU輸出將無人機保持在水平位置。通過集成來自氣壓傳感器的數(shù)據(jù)使無人機保持在其高度和位置，例如在玩具應用中，可使無人機翻轉(zhuǎn)而不改變高度。結果便是，飛行員不需要多個小時的練習來掌握基本動作，并且顯著降低了意外碰撞的風險。

  與GPS模塊的數(shù)據(jù)融合為無人機提供了部分有趣的戶外飛行功能，例如多個航點之間的自主飛行，以及“返家”功能，即無人機自動返回其起始位置并安全降落。

  其他較新的功能包括“軌道模式”或“跟隨我模式”，即無人機圍繞特定點旋轉(zhuǎn)或具有自主人員跟蹤的能力。通過結合相機，飛行員現(xiàn)在可以從鳥瞰視角進行自我觀察，同時“攜無人機散步”，甚至可以通過手勢與無人機互動。

  無拘無束

  機器人技術、半導體和當今MEMS傳感器的發(fā)展——包括其不斷提高的精度和小型化趨勢——預示著未來無人遙控飛機將愈加普及。從天氣或污染監(jiān)測、牲畜管理、安全或交付系統(tǒng)到下一代增強現(xiàn)實游戲或物聯(lián)網(wǎng)平臺，高科技飛機和無人機將在我們的日常生活中發(fā)揮越來越重要的作用。而博世的MEMS傳感器將成為其核心。

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  Bosch Sensortec GmbH是羅伯特·博世有限責任公司（Robert Bosch GmbH）的全資子公司，旨在提供完整的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器產(chǎn)品組合，以及可令消費類電子產(chǎn)品實現(xiàn)互聯(lián)的解決方案。Bosch Sensortec為智能手機、平板電腦、可穿戴設備及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)并提供定制MEMS傳感器與解決方案。產(chǎn)品組合包括3軸加速度計、陀螺儀和地磁傳感器、集成6軸和9軸傳感器、光學微系統(tǒng)、環(huán)境傳感器，以及全面的軟件組合。自2005年成立起，Bosch Sensortec已成為上述市場的MEMS技術領先企業(yè)。博世公司自1995年至今一直是MEMS傳感器領域的先鋒與全球市場的領導者，至今所銷售的MEMS傳感器數(shù)量已超過95億。全球每兩部智能手機中便有一部使用Bosch Sensortec的傳感器。

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