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產業鏈的不斷成熟，智能硬件技術的迅速發展，使得無人機成本曲線呈緩慢下降趨勢。如今，無人機已經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業化，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、通訊芯片等產業鏈迅速成熟，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新和成本下降創造了良好條件。特別是MEMS傳感器在民用無人機的開發過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、低成本間接推動了無人機民用化的發展趨勢。

　　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秀產品和系統級解決方案。“例如ADI的工業級陀螺儀ADXRS652, ADXRS620等和工業級加速度計ADXL203, ADXL278等都被廣泛應用于專業級的航拍設備上。ADI所提供的商業級的加速度計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品市場和應用經理趙延輝這樣介紹道。

　　趙延輝 ADI亞太區微機電產品市場和應用經理

　　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，進而達到穩定的效果。這是一個典型的閉環控制系統。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。”

　　和同行業的產品相比，ADI公司所提供的MEMS傳感器產品的主要優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，這就是陀螺儀數據手冊上常見的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。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生非常大錯誤輸出，甚至是產生震蕩輸出。可從如下視頻中體驗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定性，而后才是追求極致的指標。根據客戶實測反饋，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非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到沖擊后，也不會產生任何可靠性問題，而其它某些加速度計則會以很大概率出現完全沒有輸出的現象。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。