MEMS传感器——无人机的核心

2020-12-19 10:00:56

无人机的市场规模和范围不断蓬勃发展，新的应用不断涌现。无人机的应用越来越普及，无论是投递邮件还是包裹，为儿童和老人提供娱乐，监控安全，管理农业或工业，还是开拓航空摄影的新天地。

起初，大多数无人机都是相对简单的玩具。然而，最近它的飞行能力得到了显著提高，使其更加安全、稳定和易于控制，从而可以在更广泛的现实生活应用中使用。

这一改进的关键因素之一是高性能微机电系统传感器的使用。无人机传感器市场发展迅速：

据IHS Markit(消费和移动设备运动传感器——2017)预测，无人机和玩具直升机中的MEMS运动传感器(即加速度计、陀螺仪、IMU和压力传感器)市场预计到2021年将达到7000万台左右，其从2020到2021年的复合年增长率可达17%。

由于惯性微机电系统传感器，无人机可以确保其方向稳定性，并可以由用户精确控制，甚至可以自主飞行。然而，一些挑战使无人机系统设计非常复杂，例如不完善的电机校准、系统动力学可能根据有效载荷而变化、运行条件的突然变化或传感器的误差。这些挑战会造成定位处理偏差，最终导致导航时位置偏差，甚至造成无人机故障。

高品质的MEMS传感器和先进的软件对于无人机超越玩具非常重要。无人机的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、地磁传感器、专用传感器节点(ASSN)和传感器数据融合的精度对其飞行性能有直接和实质性的影响。

尺寸限制和恶劣的环境和操作条件(如温度变化和振动)将把对传感器的要求提高到一个新的水平。微机电系统传感器必须尽可能避免这些影响，并提供准确可靠的测量。

能取得优异飞行性能的有很多种方法：软件算法，如传感器标定、数据融合；机械系统设计，如减振、根据无人机厂家自身要求和需求选择MEMS传感器等。让我们仔细看看微机电系统传感器，并参考一些例子。

无人机的核心是其姿态航向参考系统(AHRS)，该系统包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS估计设备定位，如滚转、俯仰和偏航角。传感器误差(如偏移、灵敏度误差或热漂移)会导致定位误差。图1以加速度计偏移函数的形式显示了定位误差(滚转角和俯仰角)，这通常是传感器连续误差的核心来源。例如，仅20 mg的加速度计偏移将导致设备方向1度的误差。