【導(dǎo)讀】無人機(jī)是一種電動(dòng)型無人航空器（UAV），市面上的主流產(chǎn)品為超過4個(gè)以上的多螺旋槳型無人機(jī)，因此也被叫做多旋翼無人機(jī)。因其飛行穩(wěn)定性和懸停性能卓越，促進(jìn)鳥瞰攝影和視頻的發(fā)展，成為全球熱門商品。
無人機(jī)市場前景
無人機(jī)可分為個(gè)人興趣用和競技用的小型輕量普通民用無人機(jī)，以及可用于專業(yè)的空中拍攝、測量、監(jiān)控、檢查、農(nóng)業(yè)、物流等領(lǐng)域的工業(yè)用無人機(jī)。自被稱為無人機(jī)元年的2015年以來，普通民用無人機(jī)一直占據(jù)著主要市場，近年來隨著工業(yè)用無人機(jī)銷售數(shù)增長率大幅提升，預(yù)測在2023年以后工業(yè)用無人機(jī)出貨數(shù)量將超過普通民用無人機(jī)（圖1）。
圖1：截至2025年全球無人機(jī)出貨數(shù)量預(yù)測表
無人機(jī)與遙控型旋翼機(jī)等的不同之處是：無人機(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；更可通過連接網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)云盤上共享多臺(tái)無人機(jī)的數(shù)據(jù)，通過AI解析進(jìn)行有效的信息運(yùn)用。
目前，無人機(jī)的市場規(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)，無人機(jī)的應(yīng)用也越來越普遍，無論是運(yùn)送郵件還是包裹、為兒童和老年人提供娛樂、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)或工業(yè)管理，或開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傳感器對無人機(jī)飛行性能的影響
得益于采用慣性MEMS傳感器，無人機(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，甚至造成無人機(jī)失靈。
要使無人機(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。無人機(jī)的慣性測量單元（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。下面就讓我們通過一些示例來仔細(xì)研究一下MEMS傳感器。
多種MEMS傳感器技術(shù)在無人機(jī)中的具體應(yīng)用
無人機(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)地球的磁場建議無人機(jī)的航向。
無人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測量高度，可以與IMU的測量結(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。對無人機(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)層面對無人機(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。通過使用這些集成傳感器，以及對各種傳感器數(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。對于無人機(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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