ADI：用高效MEMS開(kāi)啟民用無(wú)人機(jī)新紀(jì)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(jī)成本曲線呈緩慢下降趨勢(shì)。如今，無(wú)人機(jī)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(jī)產(chǎn)業(yè)化，并逐漸步入普及時(shí)代，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)因此快速興起。

　　與此同時(shí)，隨著移動(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(shè)備邁進(jìn)。這一趨勢(shì)也給無(wú)人機(jī)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(jī)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(guī)模興起，高集成度、低功耗、低成本間接推動(dòng)了無(wú)人機(jī)民用化的發(fā)展趨勢(shì)。

　　作為全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商，ADI公司同樣十分看重民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展前景，同時(shí)為了滿足民用無(wú)人機(jī)中的MEMS傳感器的技術(shù)需求，ADI公司為無(wú)人機(jī)廠商提供了諸多優(yōu)秀產(chǎn)品和系統(tǒng)級(jí)解決方案。“例如ADI的工業(yè)級(jí)陀螺儀ADXRS652, ADXRS620等和工業(yè)級(jí)加速度計(jì)ADXL203, ADXL278等都被廣泛應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)級(jí)的航拍設(shè)備上。ADI所提供的商業(yè)級(jí)的加速度計(jì)ADXL326, ADXL350, ADXL345等也一直被應(yīng)用于一體機(jī)和各種飛行器中。” ADI公司亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝這樣介紹道。

　　趙延輝 ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)用經(jīng)理

　　因?yàn)槊裼脽o(wú)人機(jī)目前還是一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域，很多消費(fèi)者會(huì)心存疑問(wèn)“究竟MEMS傳感器在民用無(wú)人機(jī)當(dāng)中扮演著怎樣的角色呢?”趙延輝針對(duì)這一問(wèn)題作以詳細(xì)的解釋?zhuān)?ldquo;MEMS傳感器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)控制和輔助導(dǎo)航。飛行器之所以能懸停和航拍，是因?yàn)镸EMS傳感器可以檢測(cè)飛行器在飛行過(guò)程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化，在檢測(cè)到角度變化后，就可以控制電機(jī)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。至于用MEMS傳感器測(cè)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(jì)，也不能單純依賴陀螺儀，這是因?yàn)槊糠N傳感器都有一定的局限性。”趙延輝先生對(duì)此舉例稱“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(jī)函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過(guò)程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就越大。這就需要加速度計(jì)來(lái)校正陀螺儀，因?yàn)榧铀俣扔?jì)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(jì)在相對(duì)靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度計(jì)輸出的可信度就要下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。較常見(jiàn)的算法就是利用互補(bǔ)濾波，結(jié)合加速度計(jì)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(shì)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(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制，陀螺儀對(duì)加速度也是敏感的，這就是陀螺儀數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)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(shì)必會(huì)帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作，最后給終端用戶的直觀感覺(jué)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(zhuǎn)彎，可能會(huì)造成輸入轉(zhuǎn)速超過(guò)陀螺儀的測(cè)試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應(yīng)該是飽和輸出，待轉(zhuǎn)速恢復(fù)到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)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(cuò)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(shè)計(jì)的時(shí)候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來(lái)抑制這種“共模”的沖擊，準(zhǔn)確測(cè)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(cuò)誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。可從如下視頻中體驗(yàn)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(duì)。”

　　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(jī)重點(diǎn)考量的指標(biāo)，趙延輝表示，無(wú)論無(wú)人機(jī)的硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都要首先保證安全，而后才是極致的用戶體驗(yàn)。ADI的MEMS傳感器設(shè)計(jì)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(biāo)。根據(jù)客戶實(shí)測(cè)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(xiàn)非常大零點(diǎn)偏移。ADI的加速度計(jì)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(jì)則會(huì)以很大概率出現(xiàn)完全沒(méi)有輸出的現(xiàn)象。這些用戶實(shí)測(cè)出來(lái)的差異，都是得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種極端情況的充分考慮。