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，新的应用程序不断涌现。无人机的应用于也更加广泛，无论是载运邮件还是包覆、为儿童和老年人获取娱乐、安全监控、农业或工业管理，或修筑航空摄影的新视野。

最初，大多数无人机都是比较非常简单的玩具。然而最近，其飞行中能力明显提升，使其更加安全性、更加平稳、更加易于控制，从而需要用作更加普遍的现实生活应用于。

这种改良的关键因素之一乃是用于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IHSMarkit（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年预计将超过大约7000万台，而其2018至2021填充年增长率可超过17％。MEMS传感器对无人机飞行中性能的影响归功于使用惯性MEMS传感器，无人机可保证其方向平稳，并可由用户准确掌控，甚至可自律飞行中。

然而，一些挑战使无人机系统设计显得十分复杂，例如电机并未极致校准，系统动态有可能根据有效载荷而变化，操作者条件有可能经常出现变异，或传感器不存在误差。这些挑战不会导致定位处置偏差，并最后造成导航系统期间的方位偏差，甚至导致无人机过热。要使无人机打破玩具的范畴，高品质MEMS传感器和先进设备软件至关重要。

无人机的惯性测量单元（IMU）、气压传感器、地磁传感器、应用于特定型传感器节点（ASSN）和传感器数据融合的精度对其飞行中性能具有必要和实质的影响。尺寸容许以及严苛的环境和操作者条件（如温度变化和振动）将对传感器的拒绝提高到新的水平。MEMS传感器必需尽量防止这些影响，并获取准确、可信的测量。

有多种方法可以构建出众的飞行中性能：软件算法，如传感器校准和数据融合；机械系统设计，例如增加振动，以及根据无人机制造商自己的拒绝和市场需求自由选择MEMS传感器。下面竟然我们细心研究一下MEMS传感器并参照部分示例。

无人机的核心在于其姿态航向参考系统（AHRS），其中还包括惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS估计设备定位，例如滑动、转动和失速角。传感器误差（如位移、灵敏度误差或热飘移）不会造成定位错误。

图1表明了加速度计位移函数形式的定位误差（滑动、俯仰角），这一般来说是导致传感器倒数误差的核心根源。例如，仅有20mg的加速度计位移之后不会造成设备方向经常出现1度误差。图1：加速度计位移引发的弯曲误差惯性测量单元（IMU）IMU还包括加速度传感器和陀螺仪，以及适当的嵌入式处理程序。这使其需要在线性移动和转动方面辨识运动。

BoschSensortec的BMI088是一款六轴IMU，具备低噪声16位加速度计和较低飘移16位陀螺仪。这种高精度设备的技术源于高端汽车传感器，因此可在长时间内获取出众的偏置和温度稳定性，并具备低振动稳定性，使其沦为无人机应用于的理想自由选择。

图2表明了BMI088在有所不同温度下的典型位移飘移。图2：BMI088在有所不同温度下的典型零重力和零速率位移飘移右图的加速度计位移飘移范围仅有为10mg，而陀螺仪传感器的位移飘移则大于0.5dps。此外，BMI088随温度变化呈现出线性趋势，且迟缓十分小。

这使得BMI088十分限于于无人机和机器人应用于。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的高度掌控读数融合用于。气压传感器必需尽量防止外部影响和不准确性。如今，融合诸如GPS和光流等可选传感器，距离传感器可用作提升系统的可靠性并增加方位误差。

BoschSensortec的新型BMP388气压传感器获取高度信息，以提高飞行中稳定性、高度掌控、降落和降落性能。这使得无人机掌控轻而易举，由此更有更加普遍的用户。对无人机中压力传感器的拒绝一般来说十分严苛。由于受到不理想天气和温度条件的影响，高度精度必需维持在严苛的公差范围内，而且传感器必需具备较低延后性，以及在长时间下的极低飘移。

BMP388符合这些严苛拒绝，比较精度约+/-0.08hPa（+/-0.66m），意味著精度为300至1100hPa+/-0.5hPa，较低TCO一般来说高于0.75Pa/K。它具备极具吸引力的性价比、低功耗和仅有为2.0x2.0x0.75mm?的大于PCB尺寸。除了TCO改良之外，还有多种因素有助提升整体精度：比较准确度、噪声、稳定性和意味著精度。

从僵硬的玩具到高精度飞机；只要工程师胜过，目前创意工业和商业无人机的应用于潜力可以说道无边无际。磁力计磁力计如同一部指南针，可以根据地球的磁场构建无人机的航向。BoschSensortec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融合用于，可获取九维度（DoF）解决方案，用作航向估计和导航系统。在明确温度范围内的稳定性能、16位分辨率和外用强磁场的能力（无磁性可实现平稳的传感器位移）使BMM150非常适合无人机应用于，并最大限度地增加了传感器位移校准所需的工作量。应用于特定型传感器节点应用于特定型传感器节点（ASSN）获取高度构建的智能传感器集线器，将多个传感器人组在一个PCB中，并备有可编程微控制器。它为运动传感应用于获取灵活性的低功耗解决方案。

例如，BoschSensortec的BMF055是一款具有构建加速度计、陀螺仪、磁力计和32位CortexM0+微控制器的ASSN，用作还包括传感器输入在内的软件管理。BMF055与定位处理软件结合可用于AHRS。该设备使用5.2x3.8x1.1mm3小型PCB，节省了宝贵的空间和重量。该传感器为无人机应用于获取了一体化PCB。

图3展出了BMF055在无人机应用于中作为具备构建传感器融合算法的定位处理单元的用于。图3：BMF055（ASSN）在无人机应用于中用于AHRS。信号处理和软件除了分开传感器之外，我们还可以在系统层面对无人机的整体信号处理结构展开查阅，并确认构建传感器读数和掌控所需的软件。图4表明了典型的消费级无人机中的有所不同信号处理功能。

左侧佩表明分开传感器，右侧佩回应衍生的软件处置功能，如定位处置和飞行中控制算法。深蓝色传感器模块代表最先进设备的传感器，主要用作构建室内和玩具无人机的稳定性，灰色传感器模块回应室外飞行中和自动航路点导航系统所需的拓展可选功能。

用于构建传感器，某些软件功能（如定位处置）可通过主要融合各种传感器读数必要在芯片上取得继续执行。除了MEMS传感器，BoschSensortec还获取用作定位处置的传感器数据融合软件，其中还包括传感器校准、传感器数据预处理和定位处置等功能。对于无人机制造商而言，这可以明显减少工程和软件的复杂性、防止不必要的风险并延长产品上市时间。然而，制造商依然必须获取自己的软件，尤其是无人机的机械设计和动力学特有代码，例如掌控电路和用例特定功能。

图4：消费级无人机的信号处理阐述典型的无人机功能让我们来注目一下创意MEMS传感器技术如何与软件结合，构建现代无人机功能。即使在低成本的玩具无人机中，简单的功能如今仍然十分少见。首先，稳定器利用IMU输入将无人机维持在水平方位。通过构建来自气压传感器的数据使无人机维持在其高度和方位，例如在玩具应用于中，可使无人机旋转而不转变高度。

结果乃是，飞行员不必须多个小时的锻炼来掌控基本动作，并且明显减少了车祸撞击的风险。与GPS模块的数据融合为无人机获取了部分有意思的户外飞行中功能，例如多个航点之间的自律飞行中，以及“回家”功能，即无人机自动回到其接续方位并安全性迫降。

其他较新的功能还包括“轨道模式”或“追随我模式”，即无人机环绕特定点转动或具备自律人员追踪的能力。通过融合照相机，飞行员现在可以从俯视视角展开自我仔细观察，同时“携同无人机散步”，甚至可以通过手势与无人机对话。

无拘无束机器人技术、半导体和当今MEMS传感器的发展——还包括其大大提升的精度和小型化趋势——伴随着未来无人遥控飞机将愈发普及。从天气或污染监测、牲畜管理、安全性或交付给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充分发挥更加最重要的起到。而博世的MEMS传感器将沦为其核心。

BoschSensortecGmbH是罗伯特·博世有限责任公司（RobertBoschGmbH）的全资子公司，目的获取原始的微机电系统（MEMS）传感器产品组合，以及可令消费类电子产品构建网络的解决方案。BoschSensortec为智能手机、平板电脑、可穿着设备及物联网产品开发并获取自定义MEMS传感器与解决方案。产品组合还包括3轴加速度计、陀螺仪和地磁传感器、构建6轴和9轴传感器、光学微系统、环境传感器，以及全面的软件人组。

自2005年正式成立起，BoschSensortec已沦为上述市场的MEMS技术领先企业。博世公司自1995年至今仍然是MEMS传感器领域的先锋与全球市场的领导者，至今所销售的MEMS传感器数量已多达95亿。

全球每两部智能手机中之后有一部用于BoschSensortec的传感器。

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