MEMS传感器——无人机的核心

无人机的市场规模和范围持续蓬勃发展，新应用程序不断涌现。无人机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。

最初，大多数无人机都是相对简单的玩具。然而最近，其飞行能力显著提高，使其更安全、更稳定、更易于控制，从而能够用于更广泛的现实生活应用。

这种改进的关键因素之一便是使用了高性能微机电系统（MEMS）传感器。并且无人机传感器市场正在快速增长：

根据IHS Markit（消费者和移动设备运动传感器——2017年）的数据，无人机和玩具直升机中MEMS运动传感器（即加速度计、陀螺仪、IMU和压力传感器）的市场至2021年预计将达到约7000万台，而其2018至2021复合年增长率可达到17％。

MEMS传感器对无人机飞行性能的影响

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1：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2显示了BMI088在不同温度下的典型偏移漂移。

图2：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。

Bosch Sensortec的新型BMP388气压传感器提供高度信息，以改善飞行稳定性、高度控制、起飞和着陆性能。这使得无人机控制轻而易举，由此吸引更广泛的用户。

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。BMP388满足这些苛刻要求，相对精度达+/-0.08 hPa（+/- 0.66m），绝对精度为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 0.75mm?的极小封装尺寸。

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。