简要分析多轴飞行器传感器技术的原理和应用

无人飞行器近一年来市场非常火爆，推动了包括MEMS陀螺仪、加速度计的大规模普及应用。《电子工程专辑》主编张迎辉日前撰文《多轴飞行器无人机硬件技术细谈》，文中通过采访ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉，对MEMS传感器在无人飞行器中的产品技术及应用做了深度解读。

ADI的工业级陀螺仪ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工业级加速度计ADXL203、 ADXL278等被广泛用于专业级的航拍设备上。而商业级的加速度计ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也一直被广泛应用于一体机及各种飞行器中。

这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停，可以做航拍，是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化后，就可以控制电机向相反的方向转动，进而达到稳定的效果。这是一个典型的闭环控制系统。至于用MEMS传感器测量角度变化，一般要选择组合传感器，既不能单纯依赖加速度计，也不能单纯依赖陀螺仪，这是因为每种传感器都有一定的局限性。

比如说陀螺仪输出的是角速度，要通过积分才能获得角度，但是即使在零输入状态时，陀螺依然是有输出的，它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加，受此影响，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。这就需要加速度计来校正陀螺仪，因为加速度计可以利用力的分解原理，通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。

由于没有积分误差，所以加速度计在相对静止的条件下可以校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度计输出的可信度就要下降，因为它测量的是重力和外力的合力。较常见的算法就是利用互补滤波，结合加速度计和陀螺仪的输出来算出角度变化。

ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉

赵延辉表示，ADI产品主要的优势就是在各种恶劣条件下，均可获得高精度的输出。以陀螺仪为例，它的理想输出是只响应角速度变化，但实际上受设计和工艺的限制，陀螺对加速度也是敏感的，就是我们在陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g的指标。

对于多轴飞行器的应用来说，这个指标尤为重要，因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，一旦减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，那势必会带来陀螺输出的变化，进而引起角度变化，马达就会误动作，最后给终端用户的直观感觉就是飞行器并不平稳。除此之外，在某些情况下，如果飞行器突然转弯，可能会造成输入转速超过陀螺仪的测试量程，理想情况下，陀螺仪的输出应该是饱和输出，待转速恢复到陀螺仪量程范围后，陀螺仪再正确反应实时的角速度变化，但有些陀螺仪确不是这样，一旦输入超过量程，陀螺便会产生震荡输出，给出完全错误的角速度。

还有某些情况下，飞行器会受到较大的加速度冲击，理想情况陀螺仪要尽量抑制这种冲击，ADI的陀螺仪在设计的时候，也充分考虑到这种情况，利用双核和四核的机械结构，采用差分输出的原理来抑制这种“共模”的冲击，准确测量“差模”的角速度变化。但某些陀螺仪在这种情况下会产生非常大错误输出，甚至是产生震荡输出。

“对于飞行器来说，最重要的一点就是安全，无论它的硬件设计还是软件设计，都要首先保证安全，而后才是极致的用户体验。ADI的MEMS传感器设计理念恰好跟此想吻合，我们的MEMS传感器首先是保证在各种极端条件下的稳定性，而后才是追求极致的指标。根据客户实测反馈，在飞行器误操作，不小心掉落后，ADI的陀螺仪输出基本不会受任何影响，而其它某些陀螺仪会出现非常大零点偏移。ADI的加速度计在受到冲击后，也不会产生任何可靠性问题，而其它某些加速度计则会以很大概率出现完全没有输出的现象。这些用户实测出来的差异，都是得益于ADI MEMS传感器在设计时对各种极端情况的充分考虑。”赵延辉说。

 

集成化方向发展，比如3轴加速度加上3轴陀螺仪的集成产品，甚至是SOC，把处理器也集成进去，直接提供角度输出供后端处理器调用。由于飞行器的应用场景一般都是户外，客户势必会做全温范围内的温度补偿，而在出厂前就对MEMS产品做好了全温范围内的温补，或者是设计超级低温漂的传感器，都会是MEMS产品在这一领域的发展方向。当然可靠性依然是最重要的指标。”他认为。