無人飛行器近一年來市場非常火爆，推動了包括MEMS陀螺儀、加速度計的大規(guī)模普及應(yīng)用。《電子工程專輯》主編張迎輝日前撰文《多軸飛行器無人機硬件技術(shù)細談》，文中通過采訪ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝，對MEMS傳感器在無人飛行器中的產(chǎn)品技術(shù)及應(yīng)用做了深度解讀。

ADI的工業(yè)級陀螺儀ADXRS652、 ADXRS620、ADXRS623、ADXRS646、ADXRS642等和工業(yè)級加速度計ADXL203、 ADXL278等被廣泛用于專業(yè)級的航拍設(shè)備上。而商業(yè)級的加速度計ADXL335、ADXL326、 ADXL350、ADXL345等，也一直被廣泛應(yīng)用于一體機及各種飛行器中。

這些MEMS傳感器主要用來實現(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，可以做航拍，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(zhuǎn)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(zhuǎn)動，進而達到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。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。

比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)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(shù)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(tài)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(jié)合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理趙延輝

趙延輝表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。

對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標(biāo)尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那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(wěn)。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉(zhuǎn)彎，可能會造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測試量程，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(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來抑制這種“共模”的沖擊，準(zhǔn)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(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。

“對于飛行器來說，最重要的一點就是安全，無論它的硬件設(shè)計還是軟件設(shè)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(shè)計理念恰好跟此想吻合，我們的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(xiàn)非常大零點偏移。ADI的加速度計在受到?jīng)_擊后，也不會產(chǎn)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(xiàn)完全沒有輸出的現(xiàn)象。這些用戶實測出來的差異，都是得益于ADI MEMS傳感器在設(shè)計時對各種極端情況的充分考慮。”趙延輝說。

集成化方向發(fā)展，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產(chǎn)品，甚至是SOC，把處理器也集成進去，直接提供角度輸出供后端處理器調(diào)用。由于飛行器的應(yīng)用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內(nèi)的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補，或者是設(shè)計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)然可靠性依然是最重要的指標(biāo)。”他認為。