Sergej Scheiermann，Bosch Sensortec传感器解决方案产品司理
无人机的商场规模和规模继续蓬勃开展，新运用程序不断涌现。无人机的运用也越来越遍及，无论是运送邮件仍是包裹、为儿童和老年人供给文娱、安全监控、农业或工业办理，或拓荒航空摄影的新视野。
开始，大多数无人机都是相对简略的玩具。但是最近，其飞翔才能明显进步，使其更安全、更安稳、更易于操控，然后能够用于更广泛的实际日子运用。
这种改善的关键要素之一就是运用了高功用微机电体系（MEMS）传感器。而且无人机传感器商场正在快速增长：
依据IHS Markit（顾客和移动设备运动传感器——2017年）的数据，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）的商场至2021年估计将到达约7000万台，而其2018至2021复合年增长率可到达17％。
MEMS传感器对无人机飞翔功用的影响
得益于选用惯性MEMS传感器，无人机可保证其方向安稳，并可由用户准确操控，乃至可自主飞翔。但是，一些应战使无人机体系规划变得非常杂乱，例如电机未完美校准，体系动态或许依据有效载荷而改动，操作条件或许出现骤变，或传感器存在差错。这些应战会形成定位处理差错，并终究导致导航期间的方位差错，乃至形成无人机失效。
要使无人机逾越玩具的领域，高品质MEMS传感器和先进软件至关重要。无人机的惯性丈量单元（IMU）、气压传感器、地磁传感器、运用特定型传感器节点（ASSN）和传感器数据交融的精度对其飞翔功用有着直接和本质的影响。
尺度约束以及严苛的环境和操作条件（如温度改动和振荡）将对传感器的要求提升到新的水平。MEMS传感器有必要尽或许防止这些影响，并供给准确、牢靠的丈量。
有多种办法能够完成超卓的飞翔功用：软件算法，如传感器校准和数据交融；机械体系规划，例如削减振荡，以及依据无人机制作商自己的要求和需求挑选MEMS传感器。下面就让咱们细心研究一下MEMS传感器并参阅部分示例。
无人机的中心在于其姿势航向参照体系（AHRS），其间包含惯性传感器、磁力计和处理单元。AHRS预算设备定位，例如翻滚、俯仰和偏航角。传感器差错（如偏移、灵敏度差错或热漂移）会导致定位过错。图1显现了加速度计偏移函数方式的定位差错（翻滚、俯仰角），这一般是形成传感器接连差错的中心本源。例如，仅20 mg的加速度计偏移便会导致设备方向出现1度差错。
图1：加速度计偏移引起的歪斜差错
惯性丈量单元（IMU）
IMU包含加速度传感器和陀螺仪，以及相应的嵌入式处理程序。这使其能够在线性移动和旋转方面辨认运动。
Bosch Sensortec的BMI088是一款六轴IMU，具有低噪声16位加速度计和低漂移16位陀螺仪。这种高精度设备的技能源自高端轿车传感器，因而可在长期内供给超卓的偏置和温度安稳性，并具有高振荡安稳性，使其成为无人机运用的抱负挑选。
图2显现了BMI088在不同温度下的典型偏移漂移。
图2：BMI088在不同温度下的典型零重力和零速率偏移漂移
所示的加速度计偏移漂移规模仅为10 mg，而陀螺仪传感器的偏移漂移则小于0.5 dps。此外，BMI088随温度改动出现线性趋势，且滞后非常小。这使得BMI088非常适用于无人机和机器人运用。
气压传感器
无人机内置的高功用气压传感器可准确丈量高度，并与IMU的高度操控读数结合运用。气压传感器有必要尽或许防止外部影响和不准确性。
现在，结合比如GPS和光流等附加传感器，间隔传感器可用于进步体系的牢靠性并削减方位差错。
Bosch Sensortec的新式BMP388气压传感器供给高度信息，以改善飞翔安稳性、高度操控、起飞和着陆功用。这使得无人机操控垂手可得，由此招引更广泛的用户。
对无人机中压力传感器的要求一般非常严苛。因为遭到不抱负气候和温度条件的影响，高度精度有必要坚持在严厉的公役规模内，而且传感器有必要具有低推迟性，以及在长期下的极低漂移。BMP388满意这些严苛要求，相对精度达+/-0.08 hPa（+/- 0.66m），肯定精度为300至1100 hPa +/- 0.5 hPa，低TCO一般低于0.75 Pa/K。它具有极具招引力的性价比、低功耗和仅为2.0 x 2.0 x 0.75mm³的极小封装尺度。
除了TCO改善之外，还有多种要素有助于进步全体精度：相对准确度、噪声、安稳性和肯定精度。从蠢笨的玩具到高精度飞机；只需工程师想得到，现在立异工业和商业无人机的运用潜力能够说一望无垠。
磁力计
磁力计好像一部指南针，能够依据地球的磁场完成无人机的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一个比如，这是一部三轴数字地磁传感器。
BMM150与BMI088型IMU结合运用，可供给九自由度（DoF）解决方案，用于航向预算和导航。在广泛温度规模内的安稳功用、16位分辨率和抗强磁场的才能（无磁性可完成安稳的传感器偏移）使BMM150非常合适无人机运用，并最大极限地削减了传感器偏移校准所需的工作量。
运用特定型传感器节点
运用特定型传感器节点（ASSN）供给高度集成的智能传感器集线器，将多个传感器组合在一个封装中，并配有可编程微操控器。它为运动传感运用供给灵敏的低功耗解决方案。
例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款带有集成加速度计、陀螺仪、磁力计和32位Cortex M0 +微操控器的ASSN，用于包含传感器输出在内的软件办理。BMF055与定位处理软件相结合可用作AHRS。该设备选用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封装，节省了名贵的空间和分量。该传感器为无人机运用供给了一体化封装。图3展现了BMF055在无人机运用中作为具有集成传感器交融算法的定位处理单元的运用。
图3：BMF055（ASSN）在无人机运用中用作AHRS。
信号处理和软件
除了独自传感器之外，咱们还能够在体系层面临无人机的全体信号处理结构进行检查，并确认集成传感器读数和操控所需的软件。
图4显现了典型的消费级无人机中的不同信号处理功用。左边列显现独自传感器，右侧列表明派生的软件处理功用，如定位处理和飞翔操控算法。深蓝色传感器模块代表最先进的传感器，首要用于完成室内和玩具无人机的安稳性，灰色传感器模块表明室外飞翔和主动航路点导航所需的扩展可选功用。
运用集成传感器，某些软件功用（如定位处理）可经过首要交融各种传感器读数直接在芯片上取得履行。除了MEMS传感器，Bosch Sensortec还供给用于定位处理的传感器数据交融软件，其间包含传感器校准、传感器数据预处理和定位处理等功用。关于无人机制作商而言，这能够明显下降工程和软件的杂乱性、防止不必要的危险并缩短产品上市时刻。
但是，制作商仍然需求供给自己的软件，特别是无人机的机械规划和动力学特有代码，例如操控回路和用例特定功用。
图4：消费级无人机的信号处理概述
典型的无人机功用
让咱们来重视一下立异MEMS传感器技能怎么与软件相结合，完成现代无人机功用。
即便在低成本的玩具无人机中，杂乱的功用现在仍然非常常见。首要，安稳器使用IMU输出将无人机坚持在水平方位。经过集成来自气压传感器的数据使无人机坚持在其高度和方位，例如在玩具运用中，可使无人机翻转而不改动高度。成果就是，飞翔员不需求多个小时的操练来把握根本动作，而且明显下降了意外磕碰的危险。
与GPS模块的数据交融为无人机供给了部分风趣的野外飞翔功用，例如多个航点之间的自主飞翔，以及“返家”功用，即无人机主动回来其开始方位并安全下降。
其他较新的功用包含“轨迹形式”或“跟从我形式”，即无人机环绕特定点旋转或具有自主人员盯梢的才能。经过结合相机，飞翔员现在能够从俯瞰视角进行自我调查，一起“携无人机漫步”，乃至能够经过手势与无人机互动。
自由自在
机器人技能、半导体和当今MEMS传感器的开展——包含其不断进步的精度和小型化趋势——预示着未来无人遥控飞机将更加遍及。从气候或污染监测、家畜办理、安全或交给体系到下一代增强实际游戏或物联网渠道，高科技飞机和无人机将在咱们的日常日子中发挥越来越重要的效果。而博世的MEMS传感器将成为其间心。
