最初，大多數無人機都是相對簡單的玩具。然而，最近，它的飛行能力顯著提高，其更安全、更穩定、更容易控制這些優點使其得到更廣泛的應用。

　　高性能微機電系統（MEMS）傳感器的應用是這一改進的關鍵因素之一。無人機傳感器市場正在快速增長：

　　根據IHS Markit（消費和移動設備運動傳感器——2017年）的數據，到2021年，無人機和玩具直升機的MEMS運動傳感器（即加速度計、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）市場預計將達到約7000萬臺，2018年至2021年復合增長17%。

　　MEMS傳感器對無人機飛行性能的影響

　　由于使用了慣性MEMS傳感器，無人機可以確保其方向穩定，可以由用戶精確控制，甚至可以自主飛行。然而，一些挑戰使無人機系統設計復雜化，例如電機校準不完善、系統動力學可能因有效載荷、突然運行條件或傳感器錯誤而變化。這些挑戰可能導致定位過程中的偏差，最終導致導航過程中的偏差，甚至導致無人機故障。

　　高質量的MEMS傳感器和先進的軟件對于無人機超越玩具至關重要。慣性測量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、專用傳感器節點（ASSN）和傳感器數據融合的精度對無人機的飛行性能有著直接而實質性的影響。

　　尺寸限制和惡劣的環境和操作條件，如溫度變化和振動，將傳感器的要求提高到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供準確可靠的測量。

　　實現卓越飛行性能的方法有很多：軟件算法，如傳感器校準和數據融合；機械系統設計，如減振，以及根據無人機制造商自身的要求選擇MEMS傳感器。讓我們仔細看看MEMS傳感器，并參考一些例子。

　　無人機的核心是姿態航向參考系統（AHRS），它包括慣性傳感器、磁強計和處理單元。AHRS估計設備的位置，如橫搖、縱搖和橫擺角。傳感器誤差（如漂移、靈敏度誤差或熱漂移）可導致定位誤差。圖1顯示了加速度計的偏移函數形式的定位誤差（滾動、俯仰角），這通常是傳感器連續誤差的核心來源。例如，加速度計的偏移量僅為20毫克，會導致裝置方向出現1度誤差。

　　圖1：加速度計偏移引起的傾斜誤差

　　慣性測量單元

　　IMU包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應的嵌入式處理器。這使得它能夠根據直線運動和旋轉來識別運動。

　　BMI088是一個六軸IMU與低噪聲16位加速度計和低漂移16位陀螺儀。源自高端汽車傳感器的高精度技術在長時間內提供卓越的偏壓和溫度穩定性，以及高振動穩定性，使其成為無人機應用的理想選擇。

　　圖2顯示了BMI088在不同溫度下的典型漂移。

　　圖2 BMI088在不同溫度下的典型零重力和零速率偏移漂移

　　所示加速度計的漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的漂移范圍小于0.5 dps。此外，bmi088隨溫度變化呈線性趨勢，且滯后很小。這使得bmi088非常適合無人機和機器人應用。

　　氣壓傳感器

　　無人機內置的高性能氣壓傳感器可以精確測量高度，并與IMU的高度控制讀數結合使用。壓力傳感器必須盡可能不受外部影響和不準確性。

　　如今，由于增加了GPS和光流等傳感器，距離傳感器可用于提高系統可靠性和減少位置誤差。

　　新BMP388空氣壓力傳感器提供高度信息，以提高飛行穩定性，高度控制，起飛和著陸性能。這使得控制無人機變得容易，從而吸引更多的用戶。

　　無人機中的壓力傳感器通常要求很高。由于天氣和溫度條件不理想，高度精度必須保持在嚴格的公差范圍內，傳感器必須在很長一段時間內具有低延遲和極低漂移。BMP388符合這些嚴格的要求，相對精度為+/-0.08 hpa（+/-0.66 m），絕對精度為300至1100 hpa+/-0.5 hpa，低TCO通常小于0.75 pa/k。它具有吸引人的成本性能，低功耗，只有2.0 x 2.0 x 0.75 mm最小包裝尺寸。

　　除了TCO改進之外，還有幾個因素有助于提高整體精度：相對精度、噪聲、穩定性和絕對精度。從笨重的玩具到高精度的飛機；就工程師而言，創新的工業和商業無人駕駛飛行器的潛力是無限的。

　　磁力計

　　像指南針一樣，磁力計可以根據地球磁場跟蹤無人機。結合bmi088 IMU，BMM150為航向估算和導航提供了九自由度（DOF）解決方案。寬溫度范圍、16位分辨率和強磁場電阻（非磁性穩定傳感器偏移）的穩定性使BMM150非常適合無人機應用，并將傳感器偏移校準所需的工作量降至最低。

　　應用特定型傳感器節點

　　特定型傳感器節點（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個傳感器與可編程微控制器組合在一個包中。它為運動傳感應用提供了靈活的低功耗解決方案。

　　例如，BMF055是一個具有集成加速度計、陀螺儀、磁強計和32位Cortexm0+微控制器的ASSN，用于軟件管理，包括傳感器輸出。BMF055可以與位置處理軟件一起用作AHR。該裝置采用5.2x 3.8x 1.1mm3緊湊包裝，節省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無人機應用提供了一個集成包。圖3顯示了在無人機應用中使用BMF055作為帶有集成傳感器融合算法的定位處理單元。

　　圖3:BMF055（ASSN）在無人機應用中用作AHR。

　　信號處理及軟件

　　除個別傳感器外，我們還可以在系統級查看無人機的整體信號處理結構，并確定集成傳感器讀數和控制所需的軟件。

圖4：無人機用戶信號處理概述

　　圖4顯示了典型用戶無人機中不同的信號處理功能。左欄顯示單個傳感器，右欄顯示衍生的軟件處理功能，如位置處理和飛行控制算法。深藍色傳感器模塊代表最先進的傳感器，主要用于實現室內和玩具無人機的穩定，灰色傳感器模塊代表室外飛行和自動航路點導航所需的擴展可選功能。

　　使用集成傳感器，某些軟件功能（如定位處理）可以通過主要融合各種傳感器讀數直接在芯片上執行。除了MEMS傳感器外，傳感器數據融合軟件用于定位處理，包括傳感器校準、傳感器數據預處理、定位處理等功能。對于無人機制造商來說，這可以顯著降低工程和軟件的復雜性，避免不必要的風險，縮短上市時間。

　　然而，制造商仍然需要提供他們自己的軟件，特別是針對無人機的機械設計和動力學特定代碼，如控制回路和用例特定功能。

　　典型的無人機功能

　　讓我們看看創新的MEMS傳感器技術如何與軟件結合，以實現現代無人機功能。

　　即使在低成本的玩具無人機中，復雜的功能現在也司空見慣。首先，穩定器使用IMU輸出將無人機保持在水平位置。通過整合來自壓力傳感器的數據來保持無人機處于其高度和位置，例如在玩具應用程序中，無人機可以在不改變其高度的情況下翻轉。因此，操作員不需要花多少時間的練習來掌握基本動作，并顯著降低意外碰撞的風險。

　　GPS模塊的數據融合為無人機提供了一些有趣的戶外飛行功能，如多個飛行點之間的自主飛行和“返航”功能，即無人機自動返回初始位置并安全著陸。

　　其他較新的功能包括“軌道模式”或“跟我走模式”，其中無人機圍繞一個特定的點旋轉，或有能力跟蹤一個自主的人。通過相機的組合，飛行員現在可以在“與無人機一起行走”或甚至通過手勢與無人機互動時從鳥瞰圖觀察自己。

　　無拘無束

　　機器人、半導體和當今MEMS傳感器的發展，包括其日益精確和小型化的趨勢，預示著未來無人機將越來越普遍。從天氣或污染監測、牲畜管理、安全或運輸系統到下一代增強現實游戲或物聯網平臺，高科技飛機和無人機將在我們的日常生活中發揮越來越重要的作用。

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