ADI：用高效MEMS開啟民用無人機新紀元

　　近十年以來，由于模擬IC產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，智能硬件技術的迅速發(fā)展，使得無人機成本曲線呈緩慢下降趨勢。如今，無人機已經(jīng)不僅僅局限在高科技軍事領域，相關技術向民用外溢推動無人機產(chǎn)業(yè)化，并逐漸步入普及時代，消費級無人機市場因此快速興起。

　　與此同時，隨著移動終端市場的高速崛起，芯片、電源管理、傳感器、通訊芯片等產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟，成本下降，使智能化進程得以迅速向更加小型化、低功耗的設備邁進。這一趨勢也給無人機整體硬件的迅速創(chuàng)新和成本下降創(chuàng)造了良好條件。特別是MEMS傳感器在民用無人機的開發(fā)過程中也起到舉足輕重的作用，自2011年MEMS傳感器的大規(guī)模興起，高集成度、低功耗、低成本間接推動了無人機民用化的發(fā)展趨勢。

　　作為全球領先的高性能信號處理解決方案供應商，ADI公司同樣十分看重民用無人機的發(fā)展前景，同時為了滿足民用無人機中的MEMS傳感器的技術需求，ADI公司為無人機廠商提供了諸多優(yōu)秀產(chǎn)品和系統(tǒng)級解決方案。“例如ADI的工業(yè)級陀螺儀ADXRS652, ADXRS620等和工業(yè)級加速度計ADXL203, ADXL278等都被廣泛應用于專業(yè)級的航拍設備上。ADI所提供的商業(yè)級的加速度計ADXL326, ADXL350, ADXL345等也一直被應用于一體機和各種飛行器中。” ADI公司亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應用經(jīng)理趙延輝這樣介紹道。

　　趙延輝 ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應用經(jīng)理

　　因為民用無人機目前還是一個新興的應用領域，很多消費者會心存疑問“究竟MEMS傳感器在民用無人機當中扮演著怎樣的角色呢?”趙延輝針對這一問題作以詳細的解釋，“MEMS傳感器主要用來實現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)控制和輔助導航。飛行器之所以能懸停和航拍，是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉動，進而達到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。”趙延輝先生對此舉例稱“陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但即使在零輸入狀態(tài)時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這就需要加速度計來校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由于沒有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。”

　　和同行業(yè)的產(chǎn)品相比，ADI公司所提供的MEMS傳感器產(chǎn)品的主要優(yōu)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。趙延輝先生以陀螺儀為例介紹道，“陀螺儀的理想輸出是只響應角速度變化，但實際上受設計和工藝的限制，陀螺儀對加速度也是敏感的，這就是陀螺儀數(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，如果減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，這勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會造成輸入轉速超過陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應實時的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會產(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯誤的角速度。還有某些情況下，飛行器會受到較大的加速度沖擊，理想情況陀螺儀要盡量抑制這種沖擊，ADI的陀螺儀在設計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出?？蓮娜缦乱曨l中體驗ADI的陀螺儀與其它同類陀螺儀在各種極端情況下的輸出比對。”

　　http://videos.analog.com/video/products/MEMS-sensors/1711072635001/Vibration-Immunity-in-Analog-Devices-MEMS-Gyroscopes/

　　除此以外，安全性也是無人機重點考量的指標，趙延輝表示，無論無人機的硬件設計還是軟件設計，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶體驗。ADI的MEMS傳感器設計理念恰好跟此想吻合，ADI的MEMS傳感器首先是保證在各種極端條件下的穩(wěn)定性，而后才是追求極致的指標。根據(jù)客戶實測反饋，在飛行器誤操作，不小心掉落后，ADI的陀螺儀輸出基本不會受任何影響，而其它某些陀螺儀會出現(xiàn)非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后，也不會產(chǎn)生任何可靠性問題，而其它某些加速度計則會以很大概率出現(xiàn)完全沒有輸出的現(xiàn)象。這些用戶實測出來的差異，都是得益于ADI MEMS傳感器在設計時對各種極端情況的充分考慮。