MEMS傳感器——無人機(jī)的核心

2020-12-19 10:00:56

無人機(jī)的市場規(guī)模和范圍不斷蓬勃發(fā)展，新的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。無人機(jī)的應(yīng)用越來越普及，無論是投遞郵件還是包裹，為兒童和老人提供娛樂，監(jiān)控安全，管理農(nóng)業(yè)或工業(yè)，還是開拓航空攝影的新天地。

起初，大多數(shù)無人機(jī)都是相對(duì)簡單的玩具。然而，最近它的飛行能力得到了顯著提高，使其更加安全、穩(wěn)定和易于控制，從而可以在更廣泛的現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中使用。

這一改進(jìn)的關(guān)鍵因素之一是高性能微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的使用。無人機(jī)傳感器市場發(fā)展迅速：

據(jù)IHS Markit(消費(fèi)和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感器——2017)預(yù)測(cè)，無人機(jī)和玩具直升機(jī)中的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)到2021年將達(dá)到7000萬臺(tái)左右，其從2020到2021年的復(fù)合年增長率可達(dá)17%。

由于慣性微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，無人機(jī)可以確保其方向穩(wěn)定性，并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)非常復(fù)雜，例如不完善的電機(jī)校準(zhǔn)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可能根據(jù)有效載荷而變化、運(yùn)行條件的突然變化或傳感器的誤差。這些挑戰(zhàn)會(huì)造成定位處理偏差，最終導(dǎo)致導(dǎo)航時(shí)位置偏差，甚至造成無人機(jī)故障。

高品質(zhì)的MEMS傳感器和先進(jìn)的軟件對(duì)于無人機(jī)超越玩具非常重要。無人機(jī)的慣性測(cè)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(duì)其飛行性能有直接和實(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))將把對(duì)傳感器的要求提高到一個(gè)新的水平。微機(jī)電系統(tǒng)傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。

能取得優(yōu)異飛行性能的有很多種方法：軟件算法，如傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)融合；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如減振、根據(jù)無人機(jī)廠家自身要求和需求選擇MEMS傳感器等。讓我們仔細(xì)看看微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，并參考一些例子。

無人機(jī)的核心是其姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS)，該系統(tǒng)包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS估計(jì)設(shè)備定位，如滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。傳感器誤差(如偏移、靈敏度誤差或熱漂移)會(huì)導(dǎo)致定位誤差。圖1以加速度計(jì)偏移函數(shù)的形式顯示了定位誤差(滾轉(zhuǎn)角和俯仰角)，這通常是傳感器連續(xù)誤差的核心來源。例如，僅20 mg的加速度計(jì)偏移將導(dǎo)致設(shè)備方向1度的誤差。