MEMS傳感器——無人機的核心

2020-12-19 10:00:56

無人機的市場規模和范圍不斷蓬勃發展，新的應用不斷涌現。無人機的應用越來越普及，無論是投遞郵件還是包裹，為兒童和老人提供娛樂，監控安全，管理農業或工業，還是開拓航空攝影的新天地。

起初，大多數無人機都是相對簡單的玩具。然而，最近它的飛行能力得到了顯著提高，使其更加安全、穩定和易于控制，從而可以在更廣泛的現實生活應用中使用。

這一改進的關鍵因素之一是高性能微機電系統傳感器的使用。無人機傳感器市場發展迅速：

據IHS Markit(消費和移動設備運動傳感器——2017)預測，無人機和玩具直升機中的MEMS運動傳感器(即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器)市場預計到2021年將達到7000萬臺左右，其從2020到2021年的復合年增長率可達17%。

由于慣性微機電系統傳感器，無人機可以確保其方向穩定性，并可以由用戶精確控制，甚至可以自主飛行。然而，一些挑戰使無人機系統設計非常復雜，例如不完善的電機校準、系統動力學可能根據有效載荷而變化、運行條件的突然變化或傳感器的誤差。這些挑戰會造成定位處理偏差，最終導致導航時位置偏差，甚至造成無人機故障。

高品質的MEMS傳感器和先進的軟件對于無人機超越玩具非常重要。無人機的慣性測量單元(IMU)、氣壓傳感器、地磁傳感器、專用傳感器節點(ASSN)和傳感器數據融合的精度對其飛行性能有直接和實質性的影響。

尺寸限制和惡劣的環境和操作條件(如溫度變化和振動)將把對傳感器的要求提高到一個新的水平。微機電系統傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供準確可靠的測量。

能取得優異飛行性能的有很多種方法：軟件算法，如傳感器標定、數據融合；機械系統設計，如減振、根據無人機廠家自身要求和需求選擇MEMS傳感器等。讓我們仔細看看微機電系統傳感器，并參考一些例子。

無人機的核心是其姿態航向參考系統(AHRS)，該系統包括慣性傳感器、磁力計和處理單元。AHRS估計設備定位，如滾轉、俯仰和偏航角。傳感器誤差(如偏移、靈敏度誤差或熱漂移)會導致定位誤差。圖1以加速度計偏移函數的形式顯示了定位誤差(滾轉角和俯仰角)，這通常是傳感器連續誤差的核心來源。例如，僅20 mg的加速度計偏移將導致設備方向1度的誤差。