惯性MEMS传感器用于UAV

 目前,UAV的市场规模和范围持续蓬勃发展,随着新应用的不断涌现,UAV的应用也越来越普遍,无论是运送邮件还是包裹、为儿童和老年人提供娱乐、安全监控、农业或工业管理,或开辟航空摄影的新视野。这种普遍应用背后的关键因素之一便是使用了高性能微机电系统(MEMS)传感器。

 
MEMS传感器对UAV飞行性能的影响
 
得益于采用惯性MEMS传感器,UAV可确保其方向稳定,并可由用户精确控制,甚至可自主飞行。然而,依然存在一些挑战让UAV系统设计变得十分复杂,例如电机未经过完美的校准,有效载荷不同会影响系统的动态性能,外在飞行条件可能会发生急剧的改变,或者传感器本身也可能引入误差。这些挑战会造成定位处理偏差,并最终导致导航期间的位置偏差,甚至造成UAV失灵。
 
要使UAV超越玩具的范畴,高品质MEMS传感器和先进软件至关重要。UAV的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、地磁传感器、应用特定型传感器节点(ASSN)和传感器数据融合的精度对其飞行性能有着直接和实质性的影响。
 
尺寸限制以及苛刻的环境和操作条件(如温度变化和振动)都对传感器提出了更高的要求。MEMS传感器必须尽可能避免这些影响,并提供精确、可靠的测量。有多种方法可以实现出色的飞行性能:软件算法,如传感器校准和数据融合;机械系统设计,例如减少振动,以及根据UAV制造商自己的要求和需求选择MEMS传感器。下面就让我们通过一些示例来仔细研究一下MEMS传感器。
 
多种MEMS传感器技术在UAV中的具体应用
 
UAV的核心是姿态航向参照系统(AHRS),其中包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS估算设备定位,例如滚动、俯仰和偏航角。传感器误差(如偏移、灵敏度误差或热漂移)会导致定位错误。下图显示了加速度计偏移函数形式的定位误差(滚动、俯仰角),这通常是造成传感器连续误差的核心根源(图2)。例如,仅20mg的加速度计偏移便会导致设备方向出现1度误差。
 
UAV中MEMS传感器技术的应用分析
加速度计偏移引起的倾斜误差
 
惯性测量单元(IMU)包括加速度传感器和陀螺仪,以及相应的嵌入式处理能力,这使其能够在线性移动和旋转方面识别运动。磁力计如同一部指南针,可以根据地球的磁场建议UAV的航向。
 
UAV内置的高性能气压传感器可精确测量高度,可以与IMU的测量结果结合使用,一起进行高度控制。气压传感器必须尽可能避免外部影响和不准确性。对UAV中压力传感器的要求通常非常苛刻。由于受到不理想天气和温度条件的影响,必须将传感器的精度保持在严格的公差范围内,而且传感器必须具有低延迟性,以及在长时间下的极低漂移。
 
应用特定型传感器节点(ASSN)提供高度集成的智能传感器集线器,将多个传感器组合在一个封装中,并配有可编程微控制器。它为运动传感应用提供灵活的低功耗解决方案。
 
除了单独传感器之外,我们还可以在系统层面对UAV的整体信号处理结构进行查看,并确定集成传感器读数和控制所需的软件。通过使用这些集成传感器,以及对各种传感器数据进行融合,可以直接在芯片上执行某些软件功能(比如定向处理)。除了MEMS传感器,Bosch Sensortec还提供用于定位处理的传感器数据融合软件,其中包括传感器校准、传感器数据预处理和定位处理等功能。对于UAV制造商而言,这可以显著降低工程和软件的复杂性、避免不必要的风险并缩短产品上市时间。
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