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据报道，无人机的市场规模和应用范围正在蓬勃发展，似乎每隔一天就会出现新的应用。无论是邮件或包裹的递送、老少皆宜的娱乐、安全监控、农业或工业的管理，还是开拓航拍摄影的新天地，随处都可见无人机的身影。
初，大多数无人机不过是简单的玩具。然而， 近它们的飞行能力有了显著地提高，让它们的操控更安全、更稳定、更容易，从而使它们在现实生活中的应用也越来越广泛。
这些能力提高的关键因素是使用了高性能的微机电系统（mems）传感器，因而无人机中的传感器市场正在快速地增长：
根据yole《应用于无人机和机器人的传感器》报告数据，应用于无人机和机器人的传感器市场增长强劲，预计到2021年将达到7.09亿美元，2018年到2021年的复合年增长率为12.4%。
影响无人机飞行性能的mems传感器
无人机能够保持方向稳定、被用户精准操控，或者自动飞行，都依赖于惯性mems传感器。然而，无人机面临的一些挑战使其系统设计变得复杂：电机校准得不够完美、系统动力随负载不同而变化、运行条件迅速变换，，或者传感器引入不准确的信息。这些都可能导致定位处理产生偏差， 终导致导航时出现位置错误，甚至导致无人机故障。
要让无人机不只是玩具，甚至“更上一层楼”，配备高性能的mems传感器和先进的软件是必不可少的。高级无人机上高精度的惯性测量单元（imu）、气压传感器、磁力计、专用传感器节点（assn）以及传感器之间的数据融合，都对其飞行性能有直接和实质性的影响。
受尺寸限制以及苛刻的环境和运行条件，如温度波动和振动，都对传感器的要求提升到新的水平。mems传感器必须尽可能地减少这些影响，并提供精准可靠的测量。
实现卓越的飞行性能的方法主要有：软件算法（如传感器校准和数据融合）、机械系统设计（如减少振动），以及根据无人机制造商的要求和需求选择mems传感器。下面我们通过一些实例重点关注一下mems传感器。
航姿参考系统（ahrs）是无人机的“心脏”，它包括惯性传感器、磁力计和处理单元。ahrs可预估设备的行进方向，如滚转、俯仰和偏航的角度。传感器的不准确性，如偏移、灵敏度误差或热漂移，会导致定向误差。图1显示了定向误差（滚动、俯仰角度）与加速度计偏移的函数关系，定向误差通常是传感器误差链中 大的因素。例如，仅20 mg的加速度偏移量将导致设备出现1度的方向误差。
图1：加速度计偏移引起的方向误差
惯性测量单元（imu）
imu包括加速度计和陀螺仪，并带有嵌入式处理程序。这使它能够确定运动轨迹，包括线性运动和旋转。
bosch sensortec的bmi088是一款6轴imu，具有16位低噪声加速度计和16位低漂移陀螺仪。这种高精度器件的技术源自高端汽车传感器，因此它可以在较长时间内保持出色的偏置和温度稳定性，以及具有卓越的振动鲁棒性，使其成为无人机的理想选择。
图2显示了bmi088随温度漂移的典型值。
图2：bmi088随温度漂移的典型值（加速度和速率都为0）
所示的漂移量表示加速度计偏移的范围在10 mg以内和陀螺仪的偏移范围小于0.5 dps。此外，bmi088行为表现与温度呈线性关系，且几乎没有滞后现象。这使得bmi088在无人机和机器人中应用极具吸引力。
气压传感器
无人机内置的高性能气压传感器能精确测量高度，并可与imu的读数结合用于高度控制。气压传感器必须尽可能减少外部的影响和误差。目前，与其他传感器，例如gps和光流传感器、测距传感器结合使用，可提高系统的可靠性并减少位置误差。
bosch sensortec的bmp388气压传感器用于提供高度信息，可改善飞行稳定性、高度控制、起飞和着陆的性能。这使得操控无人机变得轻而易举，因此能吸引到更广泛的用户。
无人机对气压传感器的要求通常极端苛刻。即便遭受不良天气和气温影响，高度精度也必须控制在严格的公差范围内，另外随时间推移传感器必须保持低延迟和微乎其微的漂移量。bmp388能够满足这些严苛的要求，其相对精度为+/- 0.08 hpa（+/- 0.66 m），300至1100 hpa之间的绝对精度在+/- 0.5 hpa，低温度系数补偿（tco）通常小于0.75 pa/k。它拥有极具吸引力的性价比，功耗低且封装尺寸极小，仅为2.0mm x 2.0mm x 0.75mm。
除了改善tco之外，还有多种因素可以提高整体的精度：相对精度、噪声、稳定性和绝对精度。从笨拙的玩具到高精度飞行器，当前无人机在工业和商业创新应用中的潜力超越了工程师们的想像。
磁力计
磁力计就像是指南针，可以根据地球的磁场为无人机确立航向。正如bosch sensortec的bmm150，正是一款3轴的数字磁力计。
bmm150，结合bmi088 imu，可提供9个自由度（dof）的解决方案，用于航向估算和导航。bmm150在很宽的温度范围内都能保持良好性能，具有16位分辨率和抗强磁场能力（无磁化提供稳定的传感器偏移），因而非常适合无人机应用，并能够 大限度地减少校准传感器偏移所需的工作量。
专用传感器节点
专用传感器节点（assn）是指高度集成的智能传感集线器，它能将多个传感器集成在一个封装体中，并配有可编程的微控制器。它为运动传感应用提供灵活而低功耗的解决方案。
例如，bosch sensortec的bmf055就是一款assn，它集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、可处理软件的32位cortex m0+微控制器，以及各传感器的输出端。bmf055与定向处理软件相结合，可用作ahrs。该器件采用5.2mm x 3.8mm x 1.1mm小型封装，节省了宝贵的空间和重量。该传感器为无人机应用提供了一体化封装。图3演示了bmf055在无人机中的应用，其作为定向处理单元并集成了传感器融合算法。
图3：bmf055（assn）在无人机中ahrs应用
信号处理和软件
除了各个传感器之外，我们还可以了解一下无人机的信号处理整体结构的系统示意图，以及集成传感器读数和控制所需的软件。
图4显示了典型的消费级无人机中用于不同信号处理的功能模块。左侧列显示为各个传感器，右侧列表示其派生的软件处理功能，如方向处理和飞行控制算法。深蓝色方块的传感器是实现室内和玩具无人机的 佳稳定控制必不可少的传感器，灰色方块则表示可选传感器，可用于扩展室外飞行和自动航点导航功能。
图4：消费级无人机的信号处理示意图
将各种传感器集成一体，并进行数据融合，就可以直接在芯片上执行定向处理等软件功能。除了mems传感器，bosch sensortec还提供用于定向处理的传感器数据融合软件，功能包括传感器校准、传感器数据的预处理和定向处理。对于无人机制造商而言，这可以显著地降低工程和软件的复杂性，减少不必要的风险并缩短产品上市时间。
然而，制造商仍然需要为无人机的机械设计和动力系统，提供他们自己的软件和特殊代码，例如控制回路和特定功能的使用。
典型的无人机功能
让我们来看看创新的mems传感器技术如何与软件相结合，实现现代无人机功能。现在，即便是低成本的玩具无人机，也普遍具有复杂的功能。首先，通过利用imu的输出，稳定器能将无人机保持水平。通过集成来自气压传感器的数据，能够将无人机维持高度和位置不变。例如，在玩具应用中，它可控制无人机在高度不变时进行翻转。结果是操控师不再需要花费那么多小时的练习来掌握基本操控，且会显著降低发生意外碰撞的风险。
与gps模块的数据融合为无人机户外飞行增添一些有趣的功能，例如，在几个航点之间自动飞行，以及“返回家”功能——无人机能够自动返回并安全降落到起始位置。
其他新颖的功能还包括“轨道模式”或“跟随我模式”，无人机可以围绕特定点旋转或可以自主跟随一个人。与摄像头相结合，操控师可以在“带着无人机散步”时，从“鸟瞰视图”中看到自己，或者通过手势与无人机互动。
海阔天空任我游
随着机器人、半导体和当前的mems传感器技术的发展，尤其是不断提升的精密度和小型化，预示着在未来无人遥控飞机将更为普及。从天气或空气污染物的监测、牲畜的管理、安全或快递系统到下一代增强现实游戏或物联网（iot）平台，高科技的飞机和无人机在我们的日常生活中发挥的作用越来越重要，而博世mems传感器将为它们铸造强大的“心脏”。
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