高性能MEMS传感器 铸就无人机强“心

最初，大多数无人机不过是简单的玩具。然而，最近它们的飞行能力有了显著地提高，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：

根据Yole《应用于无人机和机器人的传感器》报告数据，应用于无人机和机器人的传感器市场增长强劲，预计到2021年将达到7.09亿美元，2018年到2021年的复合年增长率为12.4%。

影响无人机飞行性能的MEMS传感器

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20 mg的加速度偏移量将导致设备出现1度的方向误差。

图1：加速度计偏移引起的方向误差

惯性测量单元（IMU）

IMU包括加速度计和陀螺仪，并带有嵌入式处理程序。这使它能够确定运动轨迹，包括线性运动和旋转。

Bosch Sensortec的BMI088是一款6轴IMU，具有16位低噪声加速度计和16位低漂移陀螺仪。这种高精度器件的技术源自高端汽车传感器，因此它可以在较长时间内保持出色的偏置和温度稳定性，以及具有卓越的振动鲁棒性，使其成为无人机的理想选择。

图2显示了BMI088随温度漂移的典型值。

图2：BMI088随温度漂移的典型值（加速度和速率都为0）

所示的漂移量表示加速度计偏移的范围在10 mg以内和陀螺仪的偏移范围小于0.5 dps。此外，BMI088行为表现与温度呈线性关系，且几乎没有滞后现象。这使得BMI088在无人机和机器人中应用极具吸引力。

气压传感器

无人机内置的高性能气压传感器能精确测量高度，并可与IMU的读数结合用于高度控制。气压传感器必须尽可能减少外部的影响和误差。目前，与其他传感器，例如GPS和光流传感器、测距传感器结合使用，可提高系统的可靠性并减少位置误差。

Bosch Sensortec的BMP388气压传感器用于提供高度信息，可改善飞行稳定性、高度控制、起飞和着陆的性能。这使得操控无人机变得轻而易举，因此能吸引到更广泛的用户。

无人机对气压传感器的要求通常极端苛刻。即便遭受不良天气和气温影响，高度精度也必须控制在严格的公差范围内，另外随时间推移传感器必须保持低延迟和微乎其微的漂移量。BMP388能够满足这些严苛的要求，其相对精度为+/- 0.08 hPa（+/- 0.66 m），300至1100 hPa之间的绝对精度在+/- 0.5 hPa，低温度系数补偿（TCO）通常小于0.75 Pa/K。它拥有极具吸引力的性价比，功耗低且封装尺寸极小，仅为2.0mm x 2.0mm x 0.75mm。

除了改善TCO之外，还有多种因素可以提高整体的精度：相对精度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨拙的玩具到高精度飞行器，当前无人机在工业和商业创新应用中的潜力超越了工程师们的想像。