為什么飛行器要使用MEMS傳感器?
要開發(fā)飛行器，如何得到飛行器的航姿是第一任務(wù)，傳統(tǒng)的載人飛行器一般使用機(jī)械陀螺和光纖陀螺來完成這項任務(wù)，但是受限于體積、重量和成本，在多旋翼等小型飛行器上無法采用這種設(shè)備。因此，以MEMS傳感器為核心的DOF(Degree Of Freedom,自由度)系統(tǒng)成為唯一的選擇。由于近十年來，家用游戲機(jī)和手機(jī)的迅速發(fā)展，使得MEMS傳感器在這十幾年中得到了飛速的普及，讓低成本的運(yùn)動感知成為了可能，這正是目前的微型飛行器系統(tǒng)形成的基本條件。
飛行器所使用的MEMS傳感器與手機(jī)和游戲機(jī)來自相同的廠家，比如ST microelectronics，INVENSENSE等。MEMS傳感器從早期的多芯片組合使用，發(fā)展到現(xiàn)在的單芯片集成多軸傳感器，從模擬傳感器發(fā)展為數(shù)字傳感器，已經(jīng)經(jīng)歷了多次較大變革。
MPU6000
MPU6000是飛行器傳感器的王者，雖然新的傳感器層出不窮，但是它的地位一直無法撼動。PIXHawk飛行器的早期版本曾經(jīng)拋棄了MPU6000，但是后來又不得不重新使用，因為這顆MEMS芯片已經(jīng)被所有進(jìn)行飛行器項目開發(fā)的愛好者們所接受。
MPU6000在一塊4mm×4mm的芯片內(nèi)部集成了三軸角速率陀螺和三軸加速度計，并且集成AD采集、解算核心，以及溫度傳感器。如此高的集成度在當(dāng)時還是其他廠商望塵莫及的。而對于旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)和歐拉角格式的融合演算數(shù)據(jù)的輸出更是降低了主控單片機(jī)解算姿態(tài)的計算量。SPI和I2C雙數(shù)字接口、3.3V與大部分單片機(jī)相同的供電電壓(2.4V至3.4V)、4mA的最大功耗、可定制的傳感器量程、-40℃至+85℃的工作溫度……這些特性極大地方便了主控計算機(jī)的工作。難怪INVENSENSE自信地稱這款產(chǎn)品為MPU(Motion Processor Unit，運(yùn)動處理單元)，并且在芯片型號后面不加任何后綴。
所有想深入進(jìn)行飛行器開發(fā)的愛好者們都應(yīng)該從這款芯片開始學(xué)習(xí)傳感器的應(yīng)用和航姿解算的基本算法，這是最簡單有效的途徑。OpenPilot的CC3D飛行器就給大家提供了很好的實例，它只利用了這一顆傳感器，便做出了經(jīng)典的飛行器產(chǎn)品。
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MS5611
MS5611是傳感器中的另一個傳奇。芯片大小只有3mm×5mm，傳感器精度高于很多的專業(yè)航空設(shè)備，且價格非常便宜。該傳感器由瑞士的MEAS公司推出，在此之前，大多飛行器采用的是摩托羅拉的氣壓傳感器，體積要大幾倍，且不是貼片器件，需要“立”在電路板上，MS5611一經(jīng)推出就立即成為所有飛行器氣壓測量的標(biāo)配。
MS5611傳感器響應(yīng)時間只有1ms，工作功耗為1μA，可以測量10-1200mbar的氣壓數(shù)值。MS5611具有SPI和I2C總線接口、與單片機(jī)相同的供電電壓、-40℃至+85℃的工作溫度、全貼片封裝、全金屬屏蔽外殼、集成24位高精度AD采集器等特性，這些特性使其非常適合在高度集成的數(shù)字電路中工作，所以成為了飛行器測試氣壓高度的首選。
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HMC5883
接觸過磁阻傳感器(也就是磁羅盤傳感器)的人都知道，使Z軸磁阻傳感器實現(xiàn)扁平化是多么的不容易�；裟犴f爾也是在研發(fā)了數(shù)十款相關(guān)的產(chǎn)品之后，才最終有能力生產(chǎn)出這款全集成的三軸數(shù)字羅盤的。我們不得不驚嘆于它的體積—3mm×3mm的面積、厚度不足1mm。更加讓人驚嘆的是其低廉的價格，所以，除了PIXHawk這樣極度追求硬件先進(jìn)性的飛行器以外，其他飛行器如果配有磁羅盤的話，無一例外均使用的是HMC5883。當(dāng)然，霍尼韋爾早已推出了升級型的HMC5983，將角度測量精度提高到了1°以內(nèi)。對于愛好者們來說，HMC5883已經(jīng)夠用了。
磁阻傳感器的設(shè)計難點(diǎn)在于鐵氧體的消磁，能夠把鐵氧體傳感器和消磁驅(qū)動單元、12位ADC、運(yùn)算核心等全部集成在如此小的芯片當(dāng)中是十分不易的。HMC5883其他的特性包括：在±8GS的磁場中實現(xiàn)2mGS的分辨率、與單片機(jī)相同的供電電壓、-30℃至+85℃的工作環(huán)境溫度等。雖然ST microelectronics已經(jīng)推出了集成三軸磁阻傳感器和三軸加速度計的LSM303D，并且體積更小、集成度更高，但是HMC5883一直是磁羅盤的首選芯片。
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L3GD20
L3GD20的面積僅有4mm×4mm，注定其為移動設(shè)備而生。ST是最早一批開發(fā)MEMS芯片的廠家，也是最早發(fā)布陀螺產(chǎn)品的公司，但L3GD20還是晚來了一步。雖然它精度更高，但是風(fēng)頭已被MPU6000搶走。雖然沒有集成三軸加速度計，但是憑借高精度角速率測量、大范圍的自定義量程，以及更加低廉的價格，L3GD20逐漸為業(yè)界承認(rèn)，以至于PIXHawk一度想用它取代MPU6000。當(dāng)然，最終PIXHawk并沒有實現(xiàn)替代的愿望，他們并存于這款飛行器之上，互為補(bǔ)充，成就了PIXHawk的冗余設(shè)計。
L3GD20具備與單片機(jī)相同的供電電壓、-40℃至+85℃的工作環(huán)境溫度、兼容I2C和SPI數(shù)字接口、內(nèi)置可調(diào)低/高通濾波器電路、6mA的工作功耗，以及集成的溫度傳感器，這些同樣可作為高集成電路角速率陀螺儀不錯的選擇。
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LSM303D
如果說其他傳感器是為移動設(shè)備而生的，那么LSM303D就是為L3GD20而生的。它與L3GD20一同可以組成完整的9DOF航姿傳感器系統(tǒng)(IMU)，并且其供電、測量精度和數(shù)字接口幾乎一模一樣。這套系統(tǒng)要比MPU6000與HMC5883的組合總成本更低、測量精度更高，難怪INVENSENSE要馬不停蹄地推出MPU9250系列的單芯片9DOF產(chǎn)品來與其競爭。
與單片機(jī)相同的供電電壓、-40℃至+85℃的工作環(huán)境溫度、兼容I2C和SPI數(shù)字接口、集成溫度傳感器，這些參數(shù)幾乎可以照抄L3GD20。 |
