【導(dǎo)讀】無(wú)人機(jī)是一種電動(dòng)型無(wú)人航空器（UAV），市面上的主流產(chǎn)品為超過(guò)4個(gè)以上的多螺旋槳型無(wú)人機(jī)，因此也被叫做多旋翼無(wú)人機(jī)。因其飛行穩(wěn)定性和懸停性能卓越，促進(jìn)鳥(niǎo)瞰攝影和視頻的發(fā)展，成為全球熱門商品。
無(wú)人機(jī)市場(chǎng)前景
無(wú)人機(jī)可分為個(gè)人興趣用和競(jìng)技用的小型輕量普通民用無(wú)人機(jī)，以及可用于專業(yè)的空中拍攝、測(cè)量、監(jiān)控、檢查、農(nóng)業(yè)、物流等領(lǐng)域的工業(yè)用無(wú)人機(jī)。自被稱為無(wú)人機(jī)元年的2015年以來(lái)，普通民用無(wú)人機(jī)一直占據(jù)著主要市場(chǎng)，近年來(lái)隨著工業(yè)用無(wú)人機(jī)銷售數(shù)增長(zhǎng)率大幅提升，預(yù)測(cè)在2023年以后工業(yè)用無(wú)人機(jī)出貨數(shù)量將超過(guò)普通民用無(wú)人機(jī)（圖1）。
圖1：截至2025年全球無(wú)人機(jī)出貨數(shù)量預(yù)測(cè)表
無(wú)人機(jī)與遙控型旋翼機(jī)等的不同之處是：無(wú)人機(jī)是搭載有各種傳感器和被稱為飛行操縱器軟件的自主飛行型無(wú)人航空器；使用GPS等導(dǎo)航功能，持續(xù)獲取自身的位置信息，邊回避可視范圍內(nèi)外的障礙物邊飛行，并自動(dòng)返航；更可通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)云盤上共享多臺(tái)無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)，通過(guò)AI解析進(jìn)行有效的信息運(yùn)用。
目前，無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模和范圍持續(xù)蓬勃發(fā)展，隨著新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，無(wú)論是運(yùn)送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂(lè)、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)管理，或開(kāi)辟航空攝影的新視野。這種普遍應(yīng)用背后的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。
MEMS傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的影響
得益于采用慣性MEMS傳感器，無(wú)人機(jī)可確保其方向穩(wěn)定，并可由用戶精確控制，甚至可自主飛行。然而，依然存在一些挑戰(zhàn)讓無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜，例如電機(jī)未經(jīng)過(guò)完美的校準(zhǔn)，有效載荷不同會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，外在飛行條件可能會(huì)發(fā)生急劇的改變，或者傳感器本身也可能引入誤差。這些挑戰(zhàn)會(huì)造成定位處理偏差，并最終導(dǎo)致導(dǎo)航期間的位置偏差，甚至造成無(wú)人機(jī)失靈。
要使無(wú)人機(jī)超越玩具的范疇，高品質(zhì)MEMS傳感器和先進(jìn)軟件至關(guān)重要。無(wú)人機(jī)的慣性測(cè)量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對(duì)其飛行性能有著直接和實(shí)質(zhì)性的影響。
尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和操作條件（如溫度變化和振動(dòng)）都對(duì)傳感器提出了更高的要求。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供精確、可靠的測(cè)量。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如減少振動(dòng)，以及根據(jù)無(wú)人機(jī)制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們通過(guò)一些示例來(lái)仔細(xì)研究一下MEMS傳感器。
多種MEMS傳感器技術(shù)在無(wú)人機(jī)中的具體應(yīng)用
無(wú)人機(jī)的核心是姿態(tài)航向參照系統(tǒng)（AHRS），其中包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS估算設(shè)備定位，例如滾動(dòng)、俯仰和偏航角。傳感器誤差（如偏移、靈敏度誤差或熱漂移）會(huì)導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。下圖顯示了加速度計(jì)偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動(dòng)、俯仰角），這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源（圖2）。例如，僅20mg的加速度計(jì)偏移便會(huì)導(dǎo)致設(shè)備方向出現(xiàn)1度誤差。
圖2：加速度計(jì)偏移引起的傾斜誤差
慣性測(cè)量單元（IMU）包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應(yīng)的嵌入式處理能力，這使其能夠在線性移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方面識(shí)別運(yùn)動(dòng)。磁力計(jì)如同一部指南針，可以根據(jù)地球的磁場(chǎng)建議無(wú)人機(jī)的航向。
無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測(cè)量高度，可以與IMU的測(cè)量結(jié)果結(jié)合使用，一起進(jìn)行高度控制。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準(zhǔn)確性。對(duì)無(wú)人機(jī)中壓力傳感器的要求通常非常苛刻。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響，必須將傳感器的精度保持在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長(zhǎng)時(shí)間下的極低漂移。
應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個(gè)傳感器組合在一個(gè)封裝中，并配有可編程微控制器。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供靈活的低功耗解決方案。
除了單獨(dú)傳感器之外，我們還可以在系統(tǒng)層面對(duì)無(wú)人機(jī)的整體信號(hào)處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行查看，并確定集成傳感器讀數(shù)和控制所需的軟件。通過(guò)使用這些集成傳感器，以及對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以直接在芯片上執(zhí)行某些軟件功能（比如定向處理）。除了MEMS傳感器，Bosch Sensortec還提供用于定位處理的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件，其中包括傳感器校準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理和定位處理等功能。對(duì)于無(wú)人機(jī)制造商而言，這可以顯著降低工程和軟件的復(fù)雜性、避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
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