MEMS传感器对无人机飞行性能的影响

　　伴随着人工智能、物联网等产业的不断发展，作为重要组成部分的传感器市场经历了飞速发展。截止到目前，我国传感器市场规模已超过1500亿元，品种分类已基本完善。根据2020年最新的发展趋势预测，业内人士普遍看好MEMS传感器和智能传感器的发展。

　　目前，基于MEMS的惯性和环境传感器已用于越来越多的设备中，包括智能手机，笔记本电脑，平板电脑，无线耳塞，电视和遥控器，AR和VR耳机，无人机，机器人以及许多其他消费类和工业设备。

　　得益于采用惯性MEMS传感器，无人机可确保其方向稳定，并可由用户精确控制，甚至可自主飞行。然而，一些挑战使无人机系统设计变得十分复杂，例如电机未完美校准，系统动态可能根据有效载荷而变化，操作条件可能出现突变，或传感器存在误差。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，甚至造成无人机失效。

　　要使无人机超越玩具的范畴，高品质MEMS传感器和先进软件至关重要。无人机的惯性测量单元（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）将对传感器的要求提升到新的水平。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传感器并参考部分示例。

　　无人机的核心在于其姿态航向参照系统（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。图1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。例如，仅20 mg的加速度计偏移便会导致设备方向出现1度误差。

　　图：加速度计偏移引起的倾斜误差

　　惯性测量单元（IMU）

　　IMU包括加速度传感器和陀螺仪，以及相应的嵌入式处理程序。这使其能够在线性移动和旋转方面识别运动。

　　Bosch Sensortec的BMI088是一款六轴IMU，具有低噪声16位加速度计和低漂移16位陀螺仪。这种高精度设备的技术源自高端汽车传感器，因此可在长时间内提供出色的偏置和温度稳定性，并具有高振动稳定性，使其成为无人机应用的理想选择。

　　图显示了BMI088在不同温度下的典型偏移漂移。

　　图：BMI088在不同温度下的典型零重力和零速率偏移漂移

　　所示的加速度计偏移漂移范围仅为10 mg，而陀螺仪传感器的偏移漂移则小于0.5 dps。此外，BMI088随温度变化呈现线性趋势，且滞后非常小。这使得BMI088十分适用于无人机和机器人应用。

　　气压传感器

　　无人机内置的高性能气压传感器可精确测量高度，并与IMU的高度控制读数结合使用。气压传感器必须尽可能避免外部影响和不准确性。

　　如今，结合诸如GPS和光流等附加传感器，距离传感器可用于提高系统的可靠性并减少位置误差。

　　对无人机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，高度精度必须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。

　　除了TCO改进之外，还有多种因素有助于提高整体精度：相对准确度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨拙的玩具到高精度飞机；只要工程师想得到，目前创新工业和商业无人机的应用潜力可以说无边无际。

　　磁力计

　　磁力计如同一部指南针，可以根据地球的磁场实现无人机的航向。IMU结合使用，可提供九自由度（DoF）解决方案，用于航向估算和导航。在宽泛温度范围内的稳定性能、高分辨率和抗强磁场的能力（无磁性可实现稳定的传感器偏移）使磁力计非常适合无人机应用，并最大限度地减少了传感器偏移校准所需的工作量。

　　应用特定型传感器节点

　　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。