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四轴飞行器上常用的MEMS传感器

四轴飞行器上常用的MEMS传感器

为什么飞行器要使用MEMS传感器?

要开发飞行器,如何得到飞行器的航姿是第一任务,传统的载人飞行器一般使用机械陀螺和光纤陀螺来完成这项任务,但是受限于体积、重量和成本,在多旋翼等小型飞行器上无法采用这种设备。因此,以MEMS传感器为核心的DOF(Degree Of Freedom,自由度)系统成为唯一的选择。由于近十年来,家用游戏机和手机的迅速发展,使得MEMS传感器在这十几年中得到了飞速的普及,让低成本的运动感知成为了可能,这正是目前的微型飞行器系统形成的基本条件。

飞行器所使用的MEMS传感器与手机和游戏机来自相同的厂家,比如ST microelectronics,INVENSENSE等。MEMS传感器从早期的多芯片组合使用,发展到现在的单芯片集成多轴传感器,从模拟传感器发展为数字传感器,已经经历了多次较大变革。

MPU6000

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MPU6000是飞行器传感器的王者,虽然新的传感器层出不穷,但是它的地位一直无法撼动。PIXHawk飞行器的早期版本曾经抛弃了MPU6000,但是后来又不得不重新使用,因为这颗MEMS芯片已经被所有进行飞行器项目开发的爱好者们所接受。

MPU6000在一块4mm×4mm的芯片内部集成了三轴角速率陀螺和三轴加速度计,并且集成AD采集、解算核心,以及温度传感器。如此高的集成度在当时还是其他厂商望尘莫及的。而对于旋转矩阵、四元数和欧拉角格式的融合演算数据的输出更是降低了主控单片机解算姿态的计算量。SPI和I2C双数字接口、3.3V与大部分单片机相同的供电电压(2.4V至3.4V)、4mA的最大功耗、可定制的传感器量程、-40℃至+85℃的工作温度……这些特性极大地方便了主控计算机的工作。难怪INVENSENSE自信地称这款产品为MPU(Motion Processor Unit,运动处理单元),并且在芯片型号后面不加任何后缀。

所有想深入进行飞行器开发的爱好者们都应该从这款芯片开始学习传感器的应用和航姿解算的基本算法,这是最简单有效的途径。OpenPilot的CC3D飞行器就给大家提供了很好的实例,它只利用了这一颗传感器,便做出了经典的飞行器产品。MS5611是传感器中的另一个传奇。芯片大小只有3mm×5mm,传感器精度高于很多的专业航空设备,且价格非常便宜。该传感器由瑞士的MEAS公司推出,在此之前,大多飞行器采用的是摩托罗拉的气压传感器,体积要大几倍,且不是贴片器件,需要“立”在电路板上,MS5611一经推出就立即成为所有飞行器气压测量的标配。

MS5611传感器响应时间只有1ms,工作功耗为1μA,可以测量10-1200mbar的气压数值。MS5611具有SPI和I2C总线接口、与单片机相同的供电电压、-40℃至+85℃的工作温度、全贴片封装、全金属屏蔽外壳、集成24位高精度AD采集器等特性,这些特性使其非常适合在高度集成的数字电路中工作,所以成为了飞行器测试气压高度的首选。接触过磁阻传感器(也就是磁罗盘传感器)的人都知道,使Z轴磁阻传感器实现扁平化是多么的不容易。霍尼韦尔也是在研发了数十款相关的产品之后,才最终有能力生产出这款全集成的三轴数字罗盘的。我们不得不惊叹于它的体积—3mm×3mm的面积、厚度不足1mm。更加让人惊叹的是其低廉的价格,所以,除了PIXHawk这样极度追求硬件先进性的飞行器以外,其他飞行器如果配有磁罗盘的话,无一例外均使用的是HMC5883。当然,霍尼韦尔早已推出了升级型的HMC5983,将角度测量精度提高到了1°以内。对于爱好者们来说,HMC5883已经够用了。

磁阻传感器的设计难点在于铁氧体的消磁,能够把铁氧体传感器和消磁驱动单元、12位ADC、运算核心等全部集成在如此小的芯片当中是十分不易的。HMC5883其他的特性包括:在±8GS的磁场中实现2mGS的分辨率、与单片机相同的供电电压、-30℃至+85℃的工作环境温度等。虽然ST microelectronics已经推出了集成三轴磁阻传感器和三轴加速度计的LSM303D,并且体积更小、集成度更高,但是HMC5883一直是磁罗盘的首选芯片。
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