MEMS传感器——无人机的核心

Sergej Scheiermann，Bosch Sensortec传感器解决方案产品经理

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 0.75mm³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。

磁力计

磁力计如同一部指南针，可以根据地球的磁场实现无人机的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一个例子，这是一部三轴数字地磁传感器。

BMM150与BMI088型IMU结合使用，可提供九自由度（DoF）解决方案，用于航向估算和导航。在宽泛温度范围内的稳定性能、16位分辨率和抗强磁场的能力（无磁性可实现稳定的传感器偏移）使BMM150非常适合无人机应用，并最大限度地减少了传感器偏移校准所需的工作量。

应用特定型传感器节点

应用特定型传感器节点（ASSN）提供高度集成的智能传感器集线器，将多个传感器组合在一个封装中，并配有可编程微控制器。它为运动传感应用提供灵活的低功耗解决方案。

例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款带有集成加速度计、陀螺仪、磁力计和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN，用于包括传感器输出在内的软件管理。BMF055与定位处理软件相结合可用作AHRS。该设备采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封装，节省了宝贵的空间和重量。该传感器为无人机应用提供了一体化封装。图3展示了BMF055在无人机应用中作为具有集成传感器融合算法的定位处理单元的使用。

图3：BMF055（ASSN）在无人机应用中用作AHRS。

信号处理和软件

除了单独传感器之外，我们还可以在系统层面对无人机的整体信号处理结构进行查看，并确定集成传感器读数和控制所需的软件。

图4显示了典型的消费级无人机中的不同信号处理功能。左侧列显示单独传感器，右侧列表示派生的软件处理功能，如定位处理和飞行控制算法。深蓝色传感器模块代表最先进的传感器，主要用于实现室内和玩具无人机的稳定性，灰色传感器模块表示室外飞行和自动航路点导航所需的扩展可选功能。

使用集成传感器，某些软件功能（如定位处理）可通过主要融合各种传感器读数直接在芯片上获得执行。除了MEMS传感器，Bosch Sensortec还提供用于定位处理的传感器数据融合软件，其中包括传感器校准、传感器数据预处理和定位处理等功能。对于无人机制造商而言，这可以显著降低工程和软件的复杂性、避免不必要的风险并缩短产品上市时间。

然而，制造商仍然需要提供自己的软件，特别是无人机的机械设计和动力学特有代码，例如控制回路和用例特定功能。

图4：消费级无人机的信号处理概述

典型的无人机功能

让我们来关注一下创新MEMS传感器技术如何与软件相结合，实现现代无人机功能。

即使在低成本的玩具无人机中，复杂的功能如今依然十分常见。首先，稳定器利用IMU输出将无人机保持在水平位置。通过集成来自气压传感器的数据使无人机保持在其高度和位置，例如在玩具应用中，可使无人机翻转而不改变高度。结果便是，飞行员不需要多个小时的练习来掌握基本动作，并且显著降低了意外碰撞的风险。

与GPS模块的数据融合为无人机提供了部分有趣的户外飞行功能，例如多个航点之间的自主飞行，以及“返家”功能，即无人机自动返回其起始位置并安全降落。

其他较新的功能包括“轨道模式”或“跟随我模式”，即无人机围绕特定点旋转或具有自主人员跟踪的能力。通过结合相机，飞行员现在可以从鸟瞰视角进行自我观察，同时“携无人机散步”，甚至可以通过手势与无人机互动。

无拘无束

机器人技术、半导体和当今MEMS传感器的发展——包括其不断提高的精度和小型化趋势——预示着未来无人遥控飞机将愈加普及。从天气或污染监测、牲畜管理、安全或交付系统到下一代增强现实游戏或物联网平台，高科技飞机和无人机将在我们的日常生活中发挥越来越重要的作用。而博世的MEMS传感器将成为其核心。