ADI:用高效MEMS开启民用无人机新纪元

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近十年以来,由于模拟IC产业链的不断成熟,智能硬件技术的迅速发展,使得无人机成本曲线呈缓慢下降趋势。如今,无人机已经不仅仅局限在高科技军事领域,相关技术向民用外溢推动无人机产业化,并逐渐步入普及时代,消费级无人机市场因此快速兴起。

与此同时,随着移动终端市场的高速崛起,芯片、电源管理、传感器、通讯芯片等产业链迅速成熟,成本下降,使智能化进程得以迅速向更加小型化、低功耗的设备迈进。这一趋势也给无人机整体硬件的迅速创新和成本下降创造了良好条件。特别是MEMS传感器在民用无人机的开发过程中也起到举足轻重的作用,自2011年MEMS传感器的大规模兴起,高集成度、低功耗、低成本间接推动了无人机民用化的发展趋势。

作为全球领先的高性能信号处理解决方案供应商,ADI公司同样十分看重民用无人机的发展前景,同时为了满足民用无人机中的MEMS传感器的技术需求,ADI公司为无人机厂商提供了诸多优秀产品和系统级解决方案。“例如ADI的工业级陀螺仪ADXRS652, ADXRS620等和工业级加速度计ADXL203, ADXL278等都被广泛应用于专业级的航拍设备上。ADI所提供的商业级的加速度计ADXL326, ADXL350, ADXL345等也一直被应用于一体机和各种飞行器中。” ADI公司亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉这样介绍道。

因为民用无人机目前还是一个新兴的应用领域,很多消费者会心存疑问“究竟MEMS传感器在民用无人机当中扮演着怎样的角色呢?”赵延辉针对这一问题作以详细的解释,“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和航拍,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。”赵延辉先生对此举例称“陀螺仪输出的是角速度,要通过积分才能获得角度,但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。”

和同行业的产品相比,ADI公司所提供的MEMS传感器产品的主要优势就是在各种恶劣条件下,均可获得高精度的输出。赵延辉先生以陀螺仪为例介绍道,“陀螺仪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,陀螺仪对加速度也是敏感的,这就是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,如果减震控制不好,就会在飞行过程中产生很大的加速度,这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。可从如下视频中体验ADI的陀螺仪与其它同类陀螺仪在各种极端情况下的输出比对。”

除此以外,安全性也是无人机重点考量的指标,赵延辉表示,无论无人机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,ADI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。