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(diǎn)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(fèi)和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)傳感器（即加速度計(jì)、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）市場預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬臺(tái)，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(jì)復(fù)雜化，例如電機(jī)校準(zhǔn)不完善、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可能因有效載荷、突然運(yùn)行條件或傳感器錯(cuò)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(diǎn)（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(shí)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(dòng)，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(shí)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(jì)，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(jì)和處理單元。AHRS估計(jì)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(jì)的偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動(dòng)、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(jì)的偏移量僅為20毫克，會(huì)導(dǎo)致裝置方向出現(xiàn)1度誤差。
圖1：加速度計(jì)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(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來識(shí)別運(yùn)動(dòng)。
BMI088是一個(gè)六軸IMU與低噪聲16位加速度計(jì)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(shí)間內(nèi)提供卓越的偏壓和溫度穩(wěn)定性，以及高振動(dòng)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(jì)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(shí)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(gè)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(jì)
像指南針一樣，磁力計(jì)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(diǎn)
特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個(gè)傳感器與可編程微控制器組合在一個(gè)包中。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供了靈活的低功耗解決方案。
例如，BMF055是一個(gè)具有集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)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(gè)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(hào)處理及軟件
除個(gè)別傳感器外，我們還可以在系統(tǒng)級(jí)查看無人機(jī)的整體信號(hào)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(hào)處理概述
圖4顯示了典型用戶無人機(jī)中不同的信號(hào)處理功能。左欄顯示單個(gè)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(shí)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(dòng)航路點(diǎn)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(xiǎn)，縮短上市時(shí)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(jì)和動(dòng)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(shí)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(shí)間的練習(xí)來掌握基本動(dòng)作，并顯著降低意外碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。
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(gè)飛行點(diǎn)之間的自主飛行和“返航”功能，即無人機(jī)自動(dòng)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(gè)特定的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，或有能力跟蹤一個(gè)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(dòng)時(shí)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(yùn)輸系統(tǒng)到下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲或物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，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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