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多轴飞行器无人机硬件技术细谈

上网日期: 2015年03月06日 ?? 作者: 张迎辉 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:无人机? 硬件? 多轴飞行器?

多轴无人机的EMS/传感器

无人机方案商深圳富微科创电子有限公司总经理陈一民认为,目前业内的玩具级飞行器,虽然大部分从三轴升级到了六轴MEMS,但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上,则会用到质量更为价格更高的传感器,以保障无人机更为稳定、安全的飞行。

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图5:深圳富微科创电子有限公司总经理陈一民

ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉介绍,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。

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图6: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。

“未来飞行器上的MEMS产品也会向集成化方向发展,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。

陈一民认为,随着无人机的功能不断增加,GPS传感器、红外传感器、气压传感器、超声波传感器越来越多地被用到无人机上。方案商已经在利用红外和超声波传感器来开发出可自动避撞的无人机,以满足将来相关法规的要求。集成了GPS传感器的无人机则可以实现一键返航功能,防止无人机飞行丢失。而内置了GPS功能的无人机,可以在软件中设置接近机场或航空限制的敏感地点,不让飞机起飞。

第5页:无线控制与视频传输

第6页:无人机仍将面临的技术难题


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