高性能MEMS傳感器,鑄造無(wú)人機(jī)強(qiáng)“心”
發(fā)布時(shí)間:2019-01-10 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模和應(yīng)用范圍正在蓬勃發(fā)展,似乎每隔一天就會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用。無(wú)論是郵件或包裹的遞送、老少皆宜的娛樂(lè)、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)的管理,還是開(kāi)拓航拍攝影的新天地,隨處都可見(jiàn)無(wú)人機(jī)的身影。
最初,大多數(shù)無(wú)人機(jī)不過(guò)是簡(jiǎn)單的玩具。然而,最近它們的飛行能力有了顯著地提高,讓它們的操控更安全、更穩(wěn)定、更容易,從而使它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
這些能力提高的關(guān)鍵因素是使用了高性能的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器,因而無(wú)人機(jī)中的傳感器市場(chǎng)正在快速地增長(zhǎng):根據(jù)Yole《應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的傳感器》報(bào)告數(shù)據(jù),應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)強(qiáng)勁,預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到7.09億美元,2018年到2021年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為12.4%。
影響無(wú)人機(jī)飛行性能的MEMS傳感器
無(wú)人機(jī)能夠保持方向穩(wěn)定、被用戶精準(zhǔn)操控,或者自動(dòng)飛行,都依賴于慣性MEMS傳感器。然而,無(wú)人機(jī)面臨的一些挑戰(zhàn)使其系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜:電機(jī)校準(zhǔn)得不夠完美、系統(tǒng)動(dòng)力隨負(fù)載不同而變化、運(yùn)行條件迅速變換,或者傳感器引入不準(zhǔn)確的信息。這些都可能導(dǎo)致定位處理產(chǎn)生偏差,最終導(dǎo)致導(dǎo)航時(shí)出現(xiàn)位置錯(cuò)誤,甚至導(dǎo)致無(wú)人機(jī)故障。
要讓無(wú)人機(jī)不只是玩具,甚至“更上一層樓”,配備高性能的MEMS傳感器和先進(jìn)的軟件是必不可少的。高級(jí)無(wú)人機(jī)上高精度的慣性測(cè)量單元(IMU)、氣壓傳感器、磁力計(jì)、專(zhuān)用傳感器節(jié)點(diǎn)(ASSN)以及傳感器之間的數(shù)據(jù)融合,都對(duì)其飛行性能有直接和實(shí)質(zhì)性的影響。
受尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和運(yùn)行條件,如溫度波動(dòng)和振動(dòng),都對(duì)傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能地減少這些影響,并提供精準(zhǔn)可靠的測(cè)量。
實(shí)現(xiàn)卓越的飛行性能的方法主要有: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)(如減少振動(dòng)),以及根據(jù)無(wú)人機(jī)制造商的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面我們通過(guò)一些實(shí)例重點(diǎn)關(guān)注一下MEMS傳感器。
航姿參考系統(tǒng)(AHRS)是無(wú)人機(jī)的“心臟”,它包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS可預(yù)估設(shè)備的行進(jìn)方向,如滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的角度。傳感器的不準(zhǔn)確性,如偏移、靈敏度誤差或熱漂移,會(huì)導(dǎo)致定向誤差。圖1顯示了定向誤差(滾動(dòng)、俯仰角度)與加速度計(jì)偏移的函數(shù)關(guān)系,定向誤差通常是傳感器誤差鏈中最大的因素。例如,僅20 mg的加速度偏移量將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)1度的方向誤差。
圖1:加速度計(jì)偏移引起的方向誤差
慣性測(cè)量單元(IMU)
IMU包括加速度計(jì)和陀螺儀,并帶有嵌入式處理程序。這使它能夠確定運(yùn)動(dòng)軌跡,包括線性運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
Bosch Sensortec的BMI088是一款6軸IMU,具有16位低噪聲加速度計(jì)和16位低漂移陀螺儀。這種高精度器件的技術(shù)源自高端汽車(chē)傳感器,因此它可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持出色的偏置和溫度穩(wěn)定性,以及具有卓越的振動(dòng)魯棒性,使其成為無(wú)人機(jī)的理想選擇。
圖2顯示了BMI088隨溫度漂移的典型值。
圖2:BMI088隨溫度漂移的典型值(加速度和速率都為0)
所示的漂移量表示加速度計(jì)偏移的范圍在10 mg以內(nèi)和陀螺儀的偏移范圍小于0.5 dps。此外,BMI088行為表現(xiàn)與溫度呈線性關(guān)系,且?guī)缀鯖](méi)有滯后現(xiàn)象。這使得BMI088在無(wú)人機(jī)和機(jī)器人中應(yīng)用極具吸引力。
氣壓傳感器
無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器能精確測(cè)量高度,并可與IMU的讀數(shù)結(jié)合用于高度控制。氣壓傳感器必須盡可能減少外部的影響和誤差。目前,與其他傳感器,例如GPS和光流傳感器、測(cè)距傳感器結(jié)合使用,可提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。
Bosch Sensortec的BMP388氣壓傳感器用于提供高度信息,可改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸的性能。這使得操控?zé)o人機(jī)變得輕而易舉,因此能吸引到更廣泛的用戶。
無(wú)人機(jī)對(duì)氣壓傳感器的要求通常極端苛刻。即便遭受不良天氣和氣溫影響,高度精度也必須控制在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi),另外隨時(shí)間推移傳感器必須保持低延遲和微乎其微的漂移量。BMP388能夠滿足這些嚴(yán)苛的要求,其相對(duì)精度為+/- 0.08 hPa(+/- 0.66 m),300至1100 hPa之間的絕對(duì)精度在+/- 0.5 hPa,低溫度系數(shù)補(bǔ)償(TCO)通常小于0.75 Pa/K。它擁有極具吸引力的性價(jià)比,功耗低且封裝尺寸極小,僅為2.0mm x 2.0mm x 0.75mm。
除了改善TCO之外,還有多種因素可以提高整體的精度:相對(duì)精度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對(duì)精度。從笨拙的玩具到高精度飛行器,當(dāng)前無(wú)人機(jī)在工業(yè)和商業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用中的潛力超越了工程師們的想像。
磁力計(jì)
磁力計(jì)就像是指南針,可以根據(jù)地球的磁場(chǎng)為無(wú)人機(jī)確立航向。正如Bosch Sensortec的BMM150,正是一款3軸的數(shù)字磁力計(jì)。
BMM150,結(jié)合BMI088 IMU,可提供9個(gè)自由度(DoF)的解決方案,用于航向估算和導(dǎo)航。BMM150在很寬的溫度范圍內(nèi)都能保持良好性能,具有16位分辨率和抗強(qiáng)磁場(chǎng)能力(無(wú)磁化提供穩(wěn)定的傳感器偏移),因而非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用,并能夠最大限度地減少校準(zhǔn)傳感器偏移所需的工作量。
專(zhuān)用傳感器節(jié)點(diǎn)
專(zhuān)用傳感器節(jié)點(diǎn)(ASSN)是指高度集成的智能傳感集線器,它能將多個(gè)傳感器集成在一個(gè)封裝體中,并配有可編程的微控制器。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供靈活而低功耗的解決方案。
例如,Bosch Sensortec的BMF055就是一款A(yù)SSN,它集成了加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、可處理軟件的32位Cortex M0+微控制器,以及各傳感器的輸出端。BMF055與定向處理軟件相結(jié)合,可用作AHRS。該器件采用5.2mm x 3.8mm x 1.1mm小型封裝,節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無(wú)人機(jī)應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3演示了BMF055在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用,其作為定向處理單元并集成了傳感器融合算法。
圖3:BMF055(ASSN)在無(wú)人機(jī)中AHRS應(yīng)用
信號(hào)處理和軟件
除了各個(gè)傳感器之外,我們還可以了解一下無(wú)人機(jī)的信號(hào)處理整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)示意圖,以及集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。
圖4顯示了典型的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)中用于不同信號(hào)處理的功能模塊。左側(cè)列顯示為各個(gè)傳感器,右側(cè)列表示其派生的軟件處理功能,如方向處理和飛行控制算法。深藍(lán)色方塊的傳感器是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和玩具無(wú)人機(jī)的最佳穩(wěn)定控制必不可少的傳感器,灰色方塊則表示可選傳感器,可用于擴(kuò)展室外飛行和自動(dòng)航點(diǎn)導(dǎo)航功能。
圖4:消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的信號(hào)處理示意圖
將各種傳感器集成一體,并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,就可以直接在芯片上執(zhí)行定向處理等軟件功能。除了MEMS傳感器,Bosch Sensortec還提供用于定向處理的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件,功能包括傳感器校準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理和定向處理。對(duì)于無(wú)人機(jī)制造商而言,這可以顯著地降低工程和軟件的復(fù)雜性,減少不必要的風(fēng)險(xiǎn)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
然而,制造商仍然需要為無(wú)人機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng),提供他們自己的軟件和特殊代碼,例如控制回路和特定功能的使用。
典型的無(wú)人機(jī)功能
讓我們來(lái)看看創(chuàng)新的MEMS傳感器技術(shù)如何與軟件相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代無(wú)人機(jī)功能。現(xiàn)在,即便是低成本的玩具無(wú)人機(jī),也普遍具有復(fù)雜的功能。首先,通過(guò)利用IMU的輸出,穩(wěn)定器能將無(wú)人機(jī)保持水平。通過(guò)集成來(lái)自氣壓傳感器的數(shù)據(jù),能夠?qū)o(wú)人機(jī)維持高度和位置不變。例如,在玩具應(yīng)用中,它可控制無(wú)人機(jī)在高度不變時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。結(jié)果是操控師不再需要花費(fèi)那么多小時(shí)的練習(xí)來(lái)掌握基本操控,且會(huì)顯著降低發(fā)生意外碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。
與GPS模塊的數(shù)據(jù)融合為無(wú)人機(jī)戶外飛行增添一些有趣的功能,例如,在幾個(gè)航點(diǎn)之間自動(dòng)飛行,以及“返回家”功能——無(wú)人機(jī)能夠自動(dòng)返回并安全降落到起始位置。
其他新穎的功能還包括“軌道模式”或“跟隨我模式”,無(wú)人機(jī)可以圍繞特定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)或可以自主跟隨一個(gè)人。與攝像頭相結(jié)合,操控師可以在“帶著無(wú)人機(jī)散步”時(shí),從“鳥(niǎo)瞰視圖”中看到自己,或者通過(guò)手勢(shì)與無(wú)人機(jī)互動(dòng)。
海闊天空任我游
隨著機(jī)器人、半導(dǎo)體和當(dāng)前的MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展,尤其是不斷提升的精密度和小型化,預(yù)示著在未來(lái)無(wú)人遙控飛機(jī)將更為普及。從天氣或空氣污染物的監(jiān)測(cè)、牲畜的管理、安全或快遞系統(tǒng)到下一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)平臺(tái),高科技的飛機(jī)和無(wú)人機(jī)在我們的日常生活中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要,而博世MEMS傳感器將為它們鑄造強(qiáng)大的“心臟”。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來(lái)電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車(chē)應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車(chē)載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量?jī)x
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦