无人机的市场规模和应用范围正在蓬勃发展,几乎每隔一段时间就会出现新的应用。无论是邮件或包裹的递送、老少皆宜的娱乐、安全监控、农业或工业的管理,还是开拓航拍摄影的新天地,随处都可见无人机的身影。


最初,大多数无人机不过是简单的玩具。然而,它们的飞行能力有了显著的提高,让它们的操控更安全、更稳定、更容易,从而使它们在现实生活中的应用也越来越广泛。


这些能力提高的关键因素是使用了高性能的微机电系统(MEMS)传感器,因而无人机中的传感器市场正在快速地增长。


无人机能够保持方向稳定、被用户精准操控,或者自动飞行,都依赖于惯性MEMS传感器。然而,无人机面临的一些挑战使其系统设计变得复杂:电机校准得不够完美、系统动力随负载不同而变化、运行条件迅速变换,或者传感器引入不准确的信息。这些都可能导致定位处理产生偏差,最终导致导航时出现位置错误,甚至导致无人机故障。


要让无人机不只是玩具,甚至“更上一层楼”,配备高性能的MEMS传感器和先进的软件是必不可少的。高级无人机上高精度的惯性测量单元(IMU)、气压传感器、磁力计、专用传感器节点(ASSN)以及传感器之间的数据融合,都对其飞行性能有直接和实质性的影响。


受尺寸限制以及苛刻的环境和运行条件,如温度波动和振动,都对传感器的要求提升到新的水平。MEMS传感器必须尽可能地减少这些影响,并提供精准可靠的测量。


实现卓越的飞行性能的方法主要有:软件算法(如传感器校准和数据融合)、机械系统设计(如减少振动),以及根据无人机制造商的要求和需求选择MEMS传感器。下面我们通过一些实例重点关注一下MEMS传感器。


航姿参考系统(AHRS)是无人机的“心脏”,它包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS可预估设备的行进方向,如滚转、俯仰和偏航的角度。传感器的不准确性,如偏移、灵敏度误差或热漂移,会导致定向误差。图1显示了定向误差(滚动、俯仰角度)与加速度计偏移的函数关系,定向误差通常是传感器误差链中最大的因素。例如,仅20mg的加速度偏移量将导致设备出现1度的方向误差。


磁力计就像是指南针,可以根据地球的磁场为无人机确立航向。正如电子罗盘,正是一款3轴的数字磁力计。可提供9个自由度(DoF)的解决方案,用于航向估算和导航。在很宽的温度范围内都能保持良好性能,具有16位分辨率和抗强磁场能力(无磁化提供稳定的传感器偏移),因而非常适合无人机应用,并能够最大限度地减少校准传感器偏移所需的工作量。


现在,即便是低成本的玩具无人机,也普遍具有复杂的功能。首先,通过利用IMU的输出,稳定器能将无人机保持水平。通过集成来自气压传感器的数据,能够将无人机维持高度和位置不变。例如,在玩具应用中,它可控制无人机在高度不变时进行翻转。结果是操控师不再需要花费那么多小时的练习来掌握基本操控,且会显著降低发生意外碰撞的风险。


技术的演变,成就高精度光纤陀螺仪

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高性能惯性姿态传感器,打造无人机强大功能

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2019/4/17 15:10:00

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