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MEMS传感器——无人机的焦点

宣布时间:2019年05月06日 10:05    宣布者:eechina
要害词: MEMS , 无人机 , IMU , 稳固器
作者:Sergej Scheiermann,Bosch Sensortec传感器处置赏罚赏罚妄图产物司理


无人机的市场规模和规模一连蓬勃生长,新应用法式模范模范赓续泛起。无人机的应用也愈来愈普遍,岂论是保送邮件照样包裹、为儿童和晚年人供应文娱、安然监控、农业或工业治理,或开发航空摄影的新视野。

最后,年夜多数无人机都是相对质朴的玩具。可是比来,其飞翔才干显着前进,使其更安然、更稳固、更容易于控制,从而能够用于更普遍的现实生涯应用。

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这类刷新的要害因素之一就是应用了高性能微电机系统(MEMS)传感器。而且无人机传感器市场正在快速增添:

凭证IHS Markit(破费者和移动装备运动传感器——2017年)的数据,无人机和玩具直升机中MEMS运动传感器(即加速率计陀螺仪、IMU和压力传感器)的市场至2021年预计将到达约7000万台,而其2018至2021复合年增添率可到达17%。

MEMS传感器对无人机飞翔性能的影响

得益于接纳惯性MEMS传感器,无人机可确保其偏向稳固,并可由用户准确控制,以致可自主飞翔。可是,一些寻衅使无人机系统设计变得很是严重年夜,例如电机未完善校准,系统静态能够凭证有用载荷而变换,操作条件能够泛起突变,或传感器存在误差。这些寻衅会组成定位处置赏罚赏罚误差,并事实招致导航时代的职位误差,以致组成无人机掉落效。
要使无人机超出玩具的领域,高品行MEMS传感器和先进软件相当主要。无人机的惯性丈量单元(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翔性能有着直接和本质的影响。

尺寸限制和苛刻的情形和操作条件(如温度变换和振动)将对传感器的请求提升到新的水平。MEMS传感器必须尽能够防止这些影响,并供应准确、可靠的丈量。

有多种措施可以完成精彩的飞翔性能:软件算法,如传感器校准和数据融合;机械系统设计,例如增添振动,和凭证无人机制造商自己的要求和需求选择MEMS传感器。下面就让我们仔细研究一下MEMS传感器并参考部门示例。

无人机的焦点在于其姿势航向参照系统(AHRS),其中网罗惯性传感器、磁力计和处置赏罚赏罚单元。AHRS预算装备定位,例如迁徙转变、俯仰和偏航角。传感器误差(如偏移、迅速度误差或热漂移)会招致定位弱点。图1显示了加速率计偏移函数形式的定位误差(迁徙转变、俯仰角),这通常是组成传感器一连误差的焦点泉源。例如,仅20 mg的加速率计偏移便会招致装备偏向泛起1度误差。

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图1:加速率计偏移惹起的倾斜误差

惯性丈量单元(IMU)

IMU网罗加速率传感器和陀螺仪,和照顾的嵌入式处置赏罚赏罚法式模范模范。这使其能够在线性移动和改变方面识别运动。

Bosch Sensortec的BMI088是一款六轴IMU,具有低噪声16位加速率计和低漂移16位陀螺仪。这类高精度装备的技动力自高端汽车传感器,是以可在长时间内供应精彩的偏置和温度稳固性,并具有高振动稳固性,使其成为无人机应用的理想选择。

图2显示了BMI088在不合温度下的尺度偏移漂移。

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图2:BMI088在不合温度下的尺度零重力和零速率偏移漂移

所示的加速率计偏移漂移规模仅为10 mg,而陀螺仪传感器的偏移漂移则小于0.5 dps。此外,BMI088随温度变换泛起线性趋势,且滞后异常小。这使得BMI088很是适用于无人机和机械人应用。

气压传感器

无人机内置的高性能气压传感器可准确丈量高度,并与IMU的高度控制读数联络应用。气压传感器必须尽能够防止外部影响和不准确性。

现在,联络诸如GPS和光流等附加传感器,距离传感器可用于前进系统的可靠性并增添职位误差。

Bosch Sensortec的新型BMP388气压传感器供应高度信息,以刷新飞翔稳固性、高度控制、腾飞和着陆性能。这使得无人机控制万无一掉,由此吸引更普遍的用户。

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对无人机中压力传感器的请求通常异常苛刻。由于遭到不睬想天气和温度条件的影响,高度精度必须保持在严酷的公差规模内,而且传感器必须具有低延迟性,和在长时间下的极低漂移。BMP388知足这些苛刻请求,相对精度达+/-0.08 hPa(+/- 0.66m),相对精度为300至1100 hPa +/- 0.5 hPa,低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有极具吸引力的性价比、低功耗和仅为2.0 x 2.0 x 0.75mm3的极小封装尺寸。

除TCO刷新以外,尚有多种因素有助于前进所有精度:相对准确度、噪声、稳固性和相对精度。从愚蠢的玩具到高精度飞机;只需工程师想取得,现在创新工业和商业无人机的应用潜力可以说无边无边。

磁力计

磁力计似乎一部指南针,可以凭证地球的磁场完成无人机的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一个例子,这是一部三轴数字地磁传感器。

BMM150与BMI088型IMU联络应用,可供应九自在度(DoF)处置赏罚赏罚妄图,用于航向预算和导航。在普遍温度规模内的稳固性能、16位分辨率和抗强磁场的才干(无磁性可完成稳固的传感器偏移)使BMM150异常合适无人机应用,并最年夜限制地增添了传感器偏移校准所需的使命量。

应用特定型传感器节点

应用特定型传感器节点(ASSN)供应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。它为运动传感应用供应无邪的低功耗处置赏罚赏罚妄图。

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例如,Bosch Sensortec的BMF055是一款带有集成加速率计、陀螺仪、磁力计和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN,用于网罗传感器输入在内的软件治理。BMF055与定位处置赏罚赏罚软件相联络可用作AHRS。该装备接纳5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封装,节俭了名贵的空间和重量。该传感器为无人机应用供应了一体化封装。图3展示了BMF055在无人机应用中作为具有集成传感器融合算法的定位处置赏罚赏罚单元的应用。

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图3:BMF055(ASSN)在无人机应用中用作AHRS。

旌旗暗记处置赏罚赏罚和软件

除伶仃传感器以外,我们还可以在系统层面临无人机的所有旌旗暗记处置赏罚赏罚结构阻拦检查,并一定集成传感器读数和控制所需的软件。

图4显示了尺度的破费级无人机中的不合旌旗暗记处置赏罚赏罚功效。左边列显示伶仃传感器,左边列体现派生的软件处置赏罚赏罚功效,如定位处置赏罚赏罚和飞翔控制算法。深蓝色传感器模块代表最早辈的传感器,主要用于完成室内和玩具无人机的稳固性,灰色传感器模块体现室外飞翔和自动航路点导航所需的扩年夜可选功效。

应用集成传感器,某些软件功效(如定位处置赏罚赏罚)可经由历程主要融合种种传感器读数直接在芯片上取得推行。除MEMS传感器,Bosch Sensortec还供应用于定位处置赏罚赏罚的传感器数据融合软件,其中网罗传感器校准、传感器数据预处置赏罚赏罚和定位处置赏罚赏罚等功效。关于无人机制造商而言,这可以显着降低工程和软件的严重年夜性、防止不须要的风险并延伸产物上市时间。

可是,制造商依然须要供应自己的软件,特殊是无人机的机械设计和动力学特有代码,例如控制回路和用例特定功效。

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图4:破费级无人机的旌旗暗记处置赏罚赏罚概述

尺度的无人机功效

让我们来关注一下创新MEMS传感器手艺若何与软件相联络,完成现代无人机功效。

纵然在低资源的玩具无人机中,严重年夜的功效现在依然很是有数。首先,稳固器应用IMU输入将无人机保持在水平职位。经由历程集成来自气压传感器的数据使无人机保持在其高度和职位,例如在玩具应用中,可使无人机翻转而不改变高度。效果就是,飞翔员不须要多个小时的演习来控制基本行动,而且显着降低了意外碰撞的风险。

与GPS模块的数据融合为无人机供应了部门滑稽的户外飞翔功效,例如多个航点之间的自主飞翔,和“返家”功效,即无人机自动前往其肇端职位并安然降低。

其他较新的功效网罗“轨道形式”或“追随我形式”,即无人机围绕特定点改变或具有自主职员跟踪的才干。经由历程联络相机,飞翔员现在可以从俯瞰视角阻拦自我不雅不雅察,同时“携无人机闲步”,以致可以经由历程手势与无人机互动。

自在自在

机械人手艺、半导体和当今MEMS传感器的生长——网罗其赓续前进的精度和小型化趋势——预示着未来无人遥控飞机将越发普及。从天气或污染监测、牲畜治理、安然或交付系统到下一代增强现实游戏或物联网平台,高科技飞机和无人机将在我们的寻常生涯中施展愈来愈主要的作用。而博世的MEMS传感器将成为其焦点。

欲明确有关Bosch Sensortec在无人机中应用的更多信息,请点击这里。

Bosch Sensortec GmbH是罗伯特·博世无限义务公司(Robert Bosch GmbH)的全资子公司,旨在供应完全的微电机系统(MEMS)传感器产物组合,和可令破费类电子产物完成互联的处置赏罚赏罚妄图。Bosch Sensortec为智能手机、平板电脑、可穿着装备及物联网产物开发并供应定制MEMS传感器与处置赏罚赏罚妄图。产物组合网罗3轴加速率计、陀螺仪和地磁传感器、集成6轴和9轴传感器、光学微系统、情形传感器,和周全的软件组合。自2005年培植起,Bosch Sensortec已成为上述市场的MEMS手艺争先企业。博世公司自1995年至今一直是MEMS传感器领域的先锋与全球市场的指导者,至今所发卖的MEMS传感器数目已逾越95亿。全球每两部智能手机中便有一部应用Bosch Sensortec的传感器。

欲明确更多信息,请会见、twitter.com/boschMEMS
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