ADI：用高效MEMS開(kāi)啟民用無(wú)人機新紀元

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

　　與此同時(shí)，隨著(zhù)移動(dòng)終端市場(chǎng)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(jìn)程得以迅速向更加小型化、低功耗的設備邁進(jìn)。這一趨勢也給無(wú)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(wú)人機的開(kāi)發(fā)過(guò)程中也起到舉足輕重的作用，自2011年MEMS傳感器的大規模興起，高集成度、低功耗、低成本間接推動(dòng)了無(wú)人機民用化的發(fā)展趨勢。

　　作為全球領(lǐng)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(wú)人機的發(fā)展前景，同時(shí)為了滿(mǎn)足民用無(wú)人機中的MEMS傳感器的技術(shù)需求，ADI公司為無(wú)人機廠(chǎng)商提供了諸多優(yōu)秀產(chǎn)品和系統級解決方案。“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(zhuān)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公司亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(jīng)理趙延輝這樣介紹道。

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

　　因為民用無(wú)人機目前還是一個(gè)新興的應用領(lǐng)域，很多消費者會(huì )心存疑問(wèn)“究竟MEMS傳感器在民用無(wú)人機當中扮演著(zhù)怎樣的角色呢?”趙延輝針對這一問(wèn)題作以詳細的解釋?zhuān)?ldquo;MEMS傳感器主要用來(lái)實(shí)現飛行器的平穩控制和輔助導航。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(guò)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(dòng)，進(jìn)而達到穩定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統。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(lài)加速度計，也不能單純依賴(lài)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(chēng)“陀螺儀輸出的是角速度，要通過(guò)積分才能獲得角度，但即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過(guò)程中，必然會(huì )引進(jìn)累計誤差，積分時(shí)間越長(cháng)，誤差就越大。這就需要加速度計來(lái)校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過(guò)重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒(méi)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(dòng)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(jiàn)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(lái)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(shí)際上受設計和工藝的限制，陀螺儀對加速度也是敏感的，這就是陀螺儀數據手冊上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會(huì )帶來(lái)較強烈的振動(dòng)，如果減震控制不好，就會(huì )在飛行過(guò)程中產(chǎn)生很大的加速度，這勢必會(huì )帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達就會(huì )誤動(dòng)作，最后給終端用戶(hù)的直觀(guān)感覺(jué)就是飛行器并不平穩。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會(huì )造成輸入轉速超過(guò)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(shí)時(shí)的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過(guò)量程，陀螺便會(huì )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(huì )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(shí)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(lái)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(huì )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(lèi)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(wú)人機重點(diǎn)考量的指標，趙延輝表示，無(wú)論無(wú)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(hù)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定性，而后才是追求極致的指標。根據客戶(hù)實(shí)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(huì )受任何影響，而其它某些陀螺儀會(huì )出現非常大零點(diǎn)偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后，也不會(huì )產(chǎn)生任何可靠性問(wèn)題，而其它某些加速度計則會(huì )以很大概率出現完全沒(méi)有輸出的現象。這些用戶(hù)實(shí)測出來(lái)的差異，都是得益于A(yíng)DI MEMS傳感器在設計時(shí)對各種極端情況的充分考慮。