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士兰微MEMS六轴传感器SC7I20在无人机上的应用

2017-09-28 08:00:46 来源:互联网

《士兰微MEMS六轴传感器SC7I20在无人机上的应用》是由花火网为您收集修改整理而来,更多相关内容请关注花火网无人机栏目。

  无人机又称多旋翼飞行器,一般有三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼。出于无人机安全性考虑,增加更多旋翼,用以保证单个旋翼失效时机体能正常回落。无人机上最重要的传感器是主控板上的MEMS六轴传感器。MEMS六轴传感器包含三轴加速度计和三轴陀螺仪,能够提供二维倾角和三维角速度测量,通过卡尔曼融合滤波后的角度能够更加准确的反应出实时角度值,从而保持平衡。在无人机、智能遥控器和智能平衡车上被广泛应用,特别是售价较低的玩具级无人机方面,汕头市场每月达到7KK销量,

  但MEMS六轴传感器技术和产品一直由国外公司掌控,国内设计公司当前不能实质性量产。2016年,士兰微电子经过六年的技术积累和创新,在IDM模式引领下,成功设计出了基于完全自主知识产权的MEMS传感器、低功耗高精度信号处理电路、低应力高可靠性的封装以及全套内建测试解决方案,推出了国内首款超高可靠性、超高精度、超低功耗支持永不断迅(always-on)的高性能单芯片六轴惯性传感器SC7I20,该芯片采用全球最小的2.5 mm x 3.0 mm x0.85mm LGA封装,实现了国有MEMS六轴传感器的产业化。

  SC7I20采用士兰微电子自有芯片工厂的惯性MEMS传感器工艺,各项性能指标均处于业内领先水平,其中供电电压为1.71V~3.6V,正常工作电流可低至 800uA,内部陀螺仪噪声小于5mdps/squarHz,加速度计噪声小于100ug/squarHz,上机贴片零漂小于+/-10dps和50mg。同时针对智能遥控器、无人机、智能平衡车、VR-Box,士兰微电子可以分别提供相应的运动控制算法软件包,帮助客户产品快速上市。

  本文将详细介绍SC7I20基于四旋翼无人机方案的应用。

  四轴无人机的基本原理

  四轴无人机与其他飞行器相同,均基于空气动力学原理实现飞行。伯努利定律简言之,流体速度越大,静压力越小,流体速度越小,静压力越大。无人机的目的是使旋翼上方的空气流速较快,静压力较小,旋翼下方空气流速较慢,静压力较大。下方静压力大于上方静压力,则旋翼连同机体被托举至空中。四轴无人机的六个自由度是通过改变四个电机的转速调整旋翼压力差来实现。

  四轴无人机包含主控板、四个电机、四个旋翼、机体、电池和遥控器。主控板上有处理器、四个电机驱动模块、遥控通信模块和传感器模块,是整个四轴无人机系统的核心。传感器感知机体的姿态提供数据给处理器,处理器根据姿态数据按照用户意愿和PID算法控制电机转动提供机体需求的飞行姿态。

  机体姿态算法和PID控制算法是四轴无人机中核心的软件算法。

  机体姿态算法主要内容是卡尔曼滤波算法,带入加速度计和陀螺仪的原始数据计算出机体在三维空间的角度。算法内的主要调整参数是信任权值,如果设置信任加速度计数据多一点则输出角度静态精度比较高,如果设置信任陀螺仪的输出多一点则输出角度的实时性会更好,实际调试中会根据机体和电机的响应进行权衡。

  PID控制算法是经典的系统控制方法。无人机控制中,按偏差的比例、积分和微分进行控制,其原理简单易于实现,控制参数相互独立,参数的选定简单。

  电池的性能决定无人机的续航时间,遥控器的性能决定无人机的最远控制距离。

  输出噪声性能

  六轴传感器的首要指标是输出的噪声性能。无人机使用陀螺仪与加速度计的输出通过卡尔曼滤波得到机体的姿态角度,再利用PID算法进行飞行控制,输出的噪声越大其角度噪声则大。SC7I20的sensor部分和asic部分均影响噪声性能。特别是陀螺仪的功能,因为内部有质量块谐振,谐振本身的震动效果与输出噪声息息相关。SC7I20基于士兰微电子自有的惯性传感器工艺,对sensor进行反复的性能优化和技术迭代,最终摸索出控制其噪声性能的工艺参数。SC7I20在输出噪声上做过严格控制,确保最低的输出噪声。当然,系统电源上耦合的噪声也会影响传感器输出,设计中考虑到更高的性能,也需要注意传感器PCB布板时,电源滤波尽量靠近传感器IC的供电端,并保证每个供电管脚旁有独立的滤波电容。

  温漂稳定性

  温漂稳定性是无人机上的一项关键参数,关系到无人机长时间飞行后的性能。温漂是温度变化引起的输出偏移,包含灵敏度温漂和零漂温漂。灵敏度温漂是指温度变化导致输出灵敏度出现变化。例如加速度计1%的灵敏度温漂指的是-40度与85度范围内,1000mg的输出可能的输出值是990mg-1010mg。零漂温漂是指温度变化导致输出零值出现变化。例如加速度计60mg零漂指的是-40度与85度范围内,1000mg的输出可能的输出值是940mg-1060mg。灵敏度温漂和零漂温漂叠加起来会导致更大的性能损失。无人机上电机功率消耗大,驱动部件的温度变化大,从而使同在一块PCB板的六轴传感器也会遭受到环境温度的变化。如果传感器本身的灵敏度温漂不合格则会导致整机长时间运行后性能下降,甚至出现炸机风险。SC7I20在温漂稳定性上做过严格优化,确保长时间高温差运行仍保持正常零值和灵敏度输出。设计中考虑到更高的性能,也需要注意传感器PCB布板时远离高温源。

  震动稳定性

  无人机飞行中,机体有四个或者更多的电机高速转动产生机体震动。惯性传感器的原理本是通过内部质量块移动来检测加速度值和转速值。震动会产生是其正常的输入,所以其结果影响非常大。通过无人机方案上反复的研究得出,震动对传感器的影响分为两种。一种是震动直接影响输出,这种影响无法根除,应用中通过滤波进行解决,因为震动本身是周期性的,合适的滤波参数选择可有效消除震动影响。另外一种是震动影响到内部谐振频率造成根本的传感器性能变化,这种影响可以通过改变电机驱动频率,将震动的频率调整到另外的频谱,避开内部谐振点。SC7I20通过研究应用法案已将内部谐振点调整到常用的驱动频率之外,确保用户不会遇到震动影响谐振点的情况。

士兰微MEMS六轴传感器SC7I20在无人机上的应用

  士兰微电子基于IDM模式进行惯性传感器、压力传感器、硅麦克风传感器以及磁传感器和光传感器等产品的设计和制造。通过设计和工艺的配合、封装技术的研究、批量测试平台的开发、传感器具体应用算法的研究、生产线长期持续投入,已经构建了面向移动互联智能终端、家庭智能终端、医疗智能终端、车载智能终端等的完整的系统设计与生产制造体系,形成多传感器的产业发展基础。

  未来,士兰微电子还将基于自身优势涉足更多的工艺结合紧密的各类传感器的设计和制造,减少相关产业链对国外传感器产品的依赖,同时协同我国推进传感器类半导体制造和封测相关的产业的进一步发展。

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