航拍无人机受热捧 MEMS磁传感器充当指南针助力精准导航

航拍无人机受热捧 MEMS磁传感器充当指南针助力精准导航

消费级VS工业级，温控与减震是关键

　　上文可以看出，在专业级的航拍无人机上，由于对航拍稳定性以及航向控制的要求较高，因此通常在使用加速度计测得飞机的俯仰和使用陀螺仪测得飞机的横滚角度，而对于偏航角度，则采用磁传感做校正。

　　在航拍无人机中，MEMS磁传感器由于相较其他传感器有明显的低功耗优势，同时具有高精度、响应时间短等特点，因此非常适用于无人机的应用。然而要广泛应用在航拍无人机上，MEMS磁传感器的温漂以及航拍无人机的减震问题乃是关键。

ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉

　　对于温漂问题，ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉在接受本刊采访时告诉记者，所有的MEMS器件都会有温漂，因为零点和灵敏度都会随着温度变化。

　　赵延辉举例称：“用户有夏天在海南、新疆飞的，也有冬天在辽宁、黑龙江飞的，温差几十甚至上百度，怎么办?很多用户想到了全温范围内的温补校正，但问题是消费类MEMS传感器的温漂线性度不好，必须用分段线性或二阶甚至更高阶的温补校正才行，这无形中增加了很高的人力和时间成本。更头疼的是，有些消费类器件温度回滞特性和重复性很差，造成无法校正的问题，要把这些器件再筛选出来，成本会更高。”

　　基于上述几个问题，赵延辉表示，ADI研发人员采用类似于加热电阻的办法来让MEMS传感器的环境温度近似恒定在一个较高值从而避免温补校正。然而即使这样，没有全温范围内的温补校正，还是很难保证飞行器在各种温度条件下都能出色飞行。

　　刘海东也告诉记者，航拍无人机在上升的过程中，温度变化非常迅速，所以在此过程中解决温漂问题十分重要。而美新公司的磁传感器采用AMR技术，利用Permalloy各向异性磁电阻性能来完成磁场的实时检测，因此拥有极低的噪声等级，同时芯片自带消磁功能，可以消除由于外界环境磁场带来的剩磁及温度漂移带来的输出变化。

　　此外，刘海东向记者介绍道，美新MEMS磁传感还具有中断功能，通过运动检测及数据采集完成通知从而降低系统的整体功耗;在传感器响应带宽方面，更是达到600Hz，从而确保实现的电子指南针可以优于±10的精度，大幅度降低系统信号处理的时间及功耗。

　　而美新主要的MEMS磁传感器产品MMC3410PJ及MMC5883MA，由于采用AMR技术，因此集成拥有极低的噪声等级，芯片自带消磁功能，可以消除由于外界环境磁场带来的剩磁及温度漂移带来的输出变化等一系列优势，目前已实现高达百万级的年销量，且已量产到主要的无人机生产厂家。

　　对于为何要减震，赵延辉解释称:“因为消费级的三轴加速度计和三轴陀螺仪对振动都非常敏感，在较强的振动状态下，它们的输出都会出现很大的偏差。加速度计有振动整流误差，在振动状态下，经滤波后，零点还是会出现偏差。”

　　“如图1所示，黑色的线是一个ADI工业级双轴加速度计在振动状态下滤波后的结果。其它颜色的线是三轴高端消费级加速度计在振动状态下滤波后的结果。”赵延辉称。从上图可见，即使是高端消费级加速度计在振动状态下，各轴都会出现较大偏移;而某些器件的某些轴向的零点偏移甚至在6g-rms的振动下达230mg，而在利用加速度算倾角的时候，这一偏差会带来高达13度的误差。

　　此外，对于陀螺仪赵延辉告诉记者，陀螺仪有一个叫做线性加速度效应的指标，其单位是deg/sec/gee。由单位很容易理解，就是加速度gee对陀螺输出的影响。理想情况下，陀螺只响应转动，但实际情况是振动加速度也会引起陀螺的输出偏差。以ADI的工业级陀螺仪ADXRS646为例，它的这一指标为0.015 deg/sec/gee，也就是说如果振动加速度为10gee，那么输出偏差就会达0.15deg/sec，积分10sec，角度误差就会达1.5deg。对于消费类MEMS器件，保守的说，这一指标会比ADXRS646差至少一个数量级。

　　由此可见，对于航拍无人机来说，减震设计非常重要。但需注意很多减震材料在高温下都会迅速老化，一旦减震材料老化，那么出厂时的精度便很难保证了。前面在温控部分提到，为解决温漂问题，系统里人为的引入加热电阻，而加热电阻其实也会加速减震材料的老化。

　　因此，赵延辉告诉记者：“即使完成了这些复杂设计，用于消费类MEMS器件还是会牺牲一定的产品性能，包括在极端情况下的稳定性。”众所周知，一般消费类MEMS器件都是塑料封装的，与工业级的陶瓷封装比，它本身就对外界温度、湿度、压力更敏感。因此在飞行器不小心坠地后，工业级MEMS器件的稳定性和消费级MEMS器件的稳定性还是有天壤之别的。

　　而这些也是为什么很多工业、农业、高端航拍无人机还是选用工业级MEMS器件的原因。因此赵延辉表示，目前ADI的MEMS器件还是以满足在各种极端条件下的产品性能为目标，比如在震动状态下的输出精度，受冲击后的产品稳定性，瞬间超程的保护设计，全温范围内的重复性和稳定性等。现有以及未来的内核传感器设计都会关注以上所提到的对飞行器应用至关重要的指标。

　　MEMS多轴集成满足导航要求

　　MEMS磁传感器在航拍无人机的应用中除上述关键指标外，YoleDevolpment研究报告还指出，未来分立惯性传感器市场增长将放缓，取而代之的是组合型的传感器产品，组合型的传感器市场在2011年的规模约为1亿美元，而到2017年该市场预计将达17亿美元，MEMS传感器件在无人机上多轴集成的趋势逐渐呈现市场化发展。

　　赵延辉表示，模块化的解决方案也是ADI的发展方向之一，也就是这里所提到的3轴加速度计加上3轴陀螺仪的6自由度单芯片产品。然而对于集成加速度计以及陀螺仪的6轴产品，赵延辉指出，在出厂前需做好正交校正，非线性校正，线加速度校正，和各种指标的全温范围内的温补校正等，这样用户便可以专注在软件开发上，最大限度的简化硬件设计。

　　刘海东也告诉记者，专业级航拍无人机一直采用的都是9轴惯性导航，即三轴地磁、三轴加速度及三轴陀螺仪。因为现在消费类里的器件指标很难满足无人机导航的要求，一般还是采用工业级的器件，其性能指标比消费类要高一个数量级。

　　刘海东强调MEMS磁传感器在应用到这种主流的9轴的惯性导航中时，需要地磁传感器不断降低噪声、提高稳定度(减小温漂、时漂)、降低功耗以提升续航能力等。此外，刘海东告诉记者，美新的磁传感器在应用到专业级航拍无人机上，其主要指标上完全满足要求，但在美新将来的另一个应用领域VR方面，MEMS磁传感器的精度将会是主要的技术难点。

　　总的来说，随着航拍无人机市场的兴起，MEMS磁传感器在原消费类电子的基础上将获得更大的发展空间。相对于消费级MEMS磁传感器，应用在专业级航拍无人机上的工业级MEMS磁传感器的温度漂移以及航拍无人机震动问题成为厂商的发力点。此外，在航拍无人机低功耗、高性能要求下，MEMS器件开始走向多轴集成的抱团式发展，最常见的便是三轴地磁、三轴加速度及三轴陀螺仪的9轴传感器发展方向，当然这对MEMS器件在未来其他的应用领域(如VR)也奠定了一定基础。

（责编：振鹏）

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