IMU/气压传感器/磁力计/传感器节点,没有了这几种MEMS传感器,无人机将会怎样

2019-01-08 08:57:24 来源:EEFOCUS
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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,可以与IMU的测量结果结合使用,一起进行高度控制。气压传感器必须尽可能地减少外部影响并提高准确性。如今,结合诸如GPS和光学飞行距离传感器等附加传感器,可以提高系统的可靠性并减少位置误差。

博世传感器技术公司的BMP388气压传感器能够提供高度信息,从而改善飞行稳定性,进行高度控制,并提高起飞和着陆性能。这使得无人机能够被儿童拿来玩耍,从而吸引更广泛的用户。

无人机对压力传感器的要求通常非常苛刻。当天气和温度低于理想条件时,压力传感器的精度会受到影响,因此必须把其精度控制在严格的公差范围内,此外,压力传感器必须具备相当快速的响应性能,而且其性能指标基本不会随着时间发生变化。BMP388可以满足这些苛刻的要求,其相对精度为+/- 0.08 hPa(+/- 0.66m),绝对精度为300-1100 hPa +/- 0.5 hPa,TCO通常低于0.75 Pa / K。此外,它的性价比极具吸引力,功耗低,而且封装尺寸仅为2.0 x 2.0 x 0.75 mm3。

除了来自TCO的改进,还有多种因素会帮助提高飞行的整体精度,这涉及到相对准确度、噪声、稳定性和绝对精度等一系列指标。工业和商业无人机的应用潜力无限,从笨拙的玩具到高精度的飞行器,对人们来说,只有想不到,没有做不到。

磁力计
磁力计就像一个指南针,可以根据地球的磁场建立无人机的航向。博世传感器技术公司的BMM150就是其中一个典型产品,它是一个3轴的数字地磁传感器。

BMM150与BMI088 IMU结合使用时,可以提供9个自由度(DoF)的解决方案,可用于航向估算和导航。BMM150的性能可以在相当宽的温度范围内保持稳定,具备高达16位的分辨率,并且对强磁场具备一定的抑制能力(不会被磁化意味着它可以提供稳定的传感器偏移),这些特性使得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。

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

 


博世传感器技术公司的BMF055是一款带有集成加速度计、陀螺仪、磁力计的专用传感器节点,其内部带有一颗32位Cortex M0 +微控制器,用于管理软件和控制传感器输出。BMF055与定向处理软件相结合,可以实现姿态航向参考系统。该器件采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封装,重量轻,而且节省了宝贵的空间。该传感器为无人机应用提供了一体化封装。图3展示了作为集成了传感器融合算法的定向处理单元的BMF055在无人机中的应用。

信号处理和软件
除了各个单独的传感器,我们还可以从系统级视角对无人机的整体信号处理结构、集成传感器数据处理算法和控制软件进行审视。

图4展示了在一个典型的消费级无人机中,有哪些不同的信号处理功能。左边这一列显示了各种传感器,右侧列表则表示了其对应的软件处理功能,比如方向处理算法、飞行控制算法等。深蓝色的传感器群组显示的是最先进的传感器,主要用于室内和玩具型无人机的飞行稳定,灰色传感器群组可以实现一些扩展的可选功能,用于室外飞行和自动航线导航。

 


通过使用这些集成传感器,以及对各种传感器数据进行融合,可以直接在芯片上执行某些软件功能(比如定向处理)。除了MEMS传感器之外,博世传感器技术公司还提供用于定向处理的传感器数据融合算法和软件,其中包括传感器校准、传感器数据预处理、定向处理等功能。对于无人机制造商而言,这种提供集成传感器和相关软件算法的方式能够显著降低工程设计和软件开发的复杂性,减少一些不必要的风险,并可以缩短产品的上市时间。

当然,制造商仍然需要定制开发自己的软件,需要编写针对特定无人机型的机械设计和动力学特性的代码,以及控制闭环和针对特定场景的功能。

典型的无人机功能
让我们来看看这些创新的MEMS传感器技术是如何与软件相结合,从而实现各种先进的无人机功能的。即使是在低成本的玩具型无人机中,复杂的功能现在也很常见。首先,稳定器利用惯性能量单元将飞行中的无人机保持在水平位置,然后,来自气压传感器的数据可以帮助无人机保持其高度和位置,这项功能可以在玩具应用中,用来在不改变其高度的情况下使无人机翻转。这样,操作员就不需要花费那么多小时的练习时间来掌握基本动作,而且可以显着降低意外碰撞的风险。

通过与GPS模块数据进行融合,无人机可以实现一些有趣的户外飞行功能,比如在几个站点之间进行自主飞行,以及自动返回起始位置并安全降落的“回家”功能。

还有一些其它较为时髦的新功能,比如“轨道模式”或“跟随模式”,在“轨道模式”中,无人机可以围绕特定站点旋转,在“跟随模式”中,无人机可以在无需手工操作的情况下自主跟随某个人。通过搭载摄像机,飞行员现在可以以鸟瞰视角观察自己,“带着无人机散步”,甚至可以通过手势与无人机互动。

无人机未来前景无限
机器人技术、半导体技术和MEMS传感器技术(精度不断提高以及小型化)的发展,预示着无人机未来的存在空间会越来越广。从天气或污染监测、牲畜管理、安全、快递系统,到下一代增强现实游戏或物联网平台,无人机将在我们的日常生活中发挥越来越重要的作用。

 

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