MEMS传感器对无人机飞行性能有着怎样的影响

无论是从市场规模上还是应用空间上来看，无人机行业充满了勃勃的生气，新的应用层出不穷，几乎每天都会出现。从投递邮件或包裹、供小孩和老人玩乐、安全监控，到农业或工业现场管理、航空摄像，无人机的应用越来越广，越来越普遍。

最初，大多数无人机顶多算是一些相对简单的玩具。但是，随着无人机技术的不断更新换代，它们的飞行能力得以显著改善，它们变得更加安全、更加稳定，也更加易于控制了，从而使得它们能够在现实生活中找到更广阔的应用空间。

在推动无人机不断进步的诸多因素中，高性能微机电系统（MEMS）传感器是至关重要的关键因素。MEMS推动了无人机的迅速普及，反过来，无人机的火热也推动了MEMS传感器市场的快速增长。

根据IHS Markit（消费者和移动设备运动传感器 - 2017年）的研究数据，到2021年，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）的整体市场预计将达到约7000万台，对应2018-2021年间的年复合增长率为17%。

在惯性MEMS传感器的帮助下，无人机可以在飞行期间保持方向稳定，可交由用户精确控制，甚至可以自动飞行。但是，依然存在一些挑战让无人机系统变得复杂化，比如电机没有经过完美的校准和合适的校正，有效载荷不同会影响系统的动态性能，外在飞行条件可能会发生急剧的改变，或者传感器本身也可能引入误差，从而导致无人机在方向的把控上出现偏差，并最终导致飞行导航期间的位置偏差，严重时可能对无人机造成损坏。

在无人机超越玩具定位而更上一层楼的进化过程中，高品质的MEMS传感器和先进的软件至关重要。无人机的惯性测量单元（IMU）、气压传感器、地磁传感器、专用传感器节点（ASSN）和传感器数据融合的精度都对其飞行性能有直接和实质性的影响。

此外，来自尺寸的限制，以及苛刻的环境和操作条件（如温度变化和振动）都对传感器提出了更高的要求。部署在无人机中的MEMS传感器必须尽可能地减少这些影响，并提供精确、可靠的测量结果。

为了实现出色的飞行性能，离不开多个层面的密切配合。需要优化传感器校准和数据融合等软件算法，巧妙地进行机械系统设计，以减少振动，并根据无人机制造商的要求和特定需求选择MEMS传感器。本文主要关注MEMS传感器，以下给出一些例子。

无人机的核心是姿态航向参考系统（AHRS），其中包括惯性传感器、磁力计和处理单元。 AHRS估计无人机飞行的方向，处理滚动、俯仰和偏航角等信息。元件偏移、灵敏度存在误差或者热噪声导致的漂移可能会使得传感器无法给出准确的数据，从而导致方向错误。图一显示了以加速度计偏移做为自变量、以方向误差为函数的曲线，当加速度计偏移仅为20 mg时，无人机的方向出现了整整1度的误差，这通常是传感器误差链中的最大影响因素。

惯性测量单元（IMU）

IMU包括加速度传感器和陀螺仪，并具有嵌入式处理能力，它能够判定物体的线性移动和旋转运动。

博世传感器技术公司的BMI088是一款6轴IMU，集成了低噪声的16位加速度计和低漂移的16位陀螺仪。它的高精度来自于博世公司在高端汽车传感器技术上的长期积累，汽车级传感器可以在长时间内提供出色的偏置和温度稳定性，面对高度振动也很稳定，从而顺理成章地成为无人机的理想选择。

图2显示了BMI088的典型温度漂移。

图2显示，在很宽的温度范围内，加速度计的温度漂移仅为10mg，陀螺仪传感器的温度漂移小于0.5分贝。此外，BMI088表现出线性跟踪温度变化的特性，仅具有非常小的滞后。这种特性使得BMI088可以在无人机和机器人应用中实现一些非常有趣的功能。