Датчики MEMS как основа БПЛА

Датчики MEMS как основа БПЛА

Выпуск 3(6677) от 07 февраля 2019 г.
РУБРИКА: МEMS/NEMS

Рынок БПЛА стремительно развивается и растет – ​постоянно появляются новые модели и направления их использования. Один из ключевых факторов развития рынка связан с возможностью использования в БПЛА высокопроизводительных датчиков MEMS.

Резкий подъем популярности БПЛА способствует их повсеместному распространению. Основные направления применения – ​сфера развлечений, почтовая доставка, контроль безопасности, управление сельским хозяйством и промышленным производством, аэрофотосъемка. По мере развития рынка используемые модели БПЛА постоянно совершенствуются: улучшаются летные характеристики, повышаются безопасность, стабильность в работе и простота в управлении, что способствует появлению все новых и новых направлений применения.

Для дальнейшего развития рынка БПЛА требуются высокопроизводительные датчики MEMS и сопутствующее программное обеспечение высокой сложности. Точность гиростабилизаторов, барометрических датчиков давления, геомагнитных датчиков, узлов датчиков специализированных приложений и процессов совместной обработки данных, получаемых со всех указанных устройств, напрямую влияют на летные характеристики БПЛА. Инерциальные датчики MEMS призваны обеспечить стабильную ориентацию БПЛА в пространстве, управляемость, возможность осуществления автономных полетов.

Рынок самих датчиков MEMS развивается в направлении повышения их точности и надежности, преодоления ограничений, связанных с размерами этих приборов, условиями эксплуатации и окружающей среды (например, изменениями температуры и уровня вибрации). Все это в сочетании с развитием робототехники и полупроводниковых технологий должно привести к широкому распространению БПЛА на платформах Интернета вещей, в системах безопасности и логистики, климатического и экологического мониторинга, управления животноводством, а также в играх с использованием дополненной реальности.

По прогнозам маркетинговой компании IHS Markit, рынок датчиков движения (акселерометров, гироскопов, гиростабилизаторов, датчиков давления), используемых в БПЛА, до 2021 г. будет развиваться с показателем CAGR около 17%, в результате чего его общий объем в натуральном выражении достигнет 70 млн штук.

В сфере разработки БПЛА существует ряд вызовов: проблемы с точностью датчиков и калибровкой двигателя, зависимость параметров работы системы от нагрузки и меняющихся условий эксплуатации. Указанные факторы способны привести к нарушениям в ориентации БПЛА, отклонениям от запланированного маршрута полета и даже поломке устройства.

Улучшения летных характеристик БПЛА можно добиться несколькими способами:

совершенствованием программных алгоритмов, связанных с калибровкой датчиков и интеграцией собираемых данных;

развитием проектирования MEMS с целью уменьшения уровня вибрации;

строгим подходом к выбору датчиков MEMS в соответствии с требованиями и потребностями производителей БПЛА.

Основа БПЛА – ​курсовертикаль, состоящая из инерциальных датчиков, магнитометров и устройств обработки информации. Курсовертикаль определяет ориентацию БПЛА (углы крена, тангажа и рыскания). Ошибки ориентации связаны с неточностью датчиков, смещением, дрейфом чувствительности, в том числе температурным. Смещение акселерометра – ​наиболее значительная причина ошибок ориентации БПЛА. Так, смещение акселерометра на уровне 20 mg приводит к ошибке в ориентации БПЛА на 1 градус. На рис. 1 ошибки углов крена и тангажа представлены как функция смещения акселерометра.



Источник: Bosch Sensortec

Рисунок 1. График зависимости ошибки углов наклона (крена и тангажа) от смещения акселерометра


Для определения характера прямолинейного и вращательного движения в БПЛА используется гиростабилизатор, состоящий из датчика ускорения, гироскопа и встроенного процессора. Модель BMI088 компании Bosch Sensortec – ​шестиосный гиростабилизатор, оснащенный 16-битным акселерометром с низким уровнем шума и 16-битным гироскопом с низким дрифтом. Технология заимствована из сферы передовых автомобильных датчиков, благодаря чему данная модель демонстрирует выдающиеся показатели смещения и температурной стабильности в течение продолжительного времени, а также высокую устойчивость к вибрации, что делает ее идеальной для использования в БПЛА. На рис. 2 представлена зависимость смещения гиростабилизатора BMI088 от температуры (в диапазоне 10 mg для акселерометра и 0,5 град/с для гироскопа). Очень малый гистерезис, отражающий линейную зависимость параметров работы гиростабилизатора BMI088 от температуры, делает данную модель оптимальной для использования в БПЛА и робототехнике.



Источник: Bosch Sensortec

Рисунок 2. Зависимость смещения гиростабилизатора BMI088 от температуры


Встроенные в БПЛА высокопроизводительные барометрические датчики давления осуществляют точные измерения высоты, которые могут быть использованы совместно с показаниями устройств высотного контроля гиростабилизатора. В настоящее время датчики давления в сочетании с дополнительными датчиками GPS и удаленными датчиками оптического потока используются для повышения надежности БПЛА и снижения погрешностей позиционирования. К датчикам давления для БПЛА предъявляются высокие требования: точность производимых измерений вне зависимости от погодных условий и температуры окружающей среды должна соответствовать жестким пределам допуска; процесс сбора данных должен характеризоваться низким временем ожидания и пренебрежительно малым дрифтом. На общую точность измерений влияют такие показатели, как относительная и абсолютная точность, температурный коэффициент смещения, уровень шума и стабильность работы системы. Дальнейшее развитие данного типа датчиков направлено на уменьшение погрешностей и зависимости их работы от внешних воздействий.

Барометрический датчик давления BMP388 компании Bosch Sensortec предназначен для сбора информации о высоте БПЛА с целью улучшения стабильности полета, управления высотой, процессов взлета и посадки, что позволяет использовать оснащенные им БПЛА для решения самых различных задач. Он характеризуется относительной точностью ±0,08 гПa (±0,66 м), абсолютной точностью 300–1000 гПa на ±0,5 гПa, температурным коэффициентом смещения ниже 0,75 Пa/К. Преимущества – ​хорошее соотношение между ценой и производительностью, низкое энергопотребление, малые габариты (2,0×2,0×0,75 мм3).

Магнитометр определяет положение БПЛА по отношению к магнитному полю Земли. Пример – ​трехосный цифровой геомагнитный датчик BMM150 компании Bosch Sensortec. Он стабильно работает в широком диапазоне температур, обладает 16-битным разрешением, устойчив к воздействию сильных магнитных полей, что выражается в отсутствии дрейфа. Датчик оптимально подходит для использования в БПЛА и требует минимальной калибровки. Сочетание в одном устройстве геомагнитного датчика BMM150 и гиростабилизатора BMI088 позволяет получить решение с девятью степенями свободы для проведения расчетов и навигации.

Узел датчиков специализированного применения – ​высокоинтегрированный умный комплекс, объединяющий в одном корпусе множество различных датчиков и программируемый микроконтроллер. Речь идет о гибком решении с низким энергопотреблением для приложений, связанных с датчиками движения. Пример – ​BMF055, в котором интегрированы акселерометр, гироскоп, магнитометр и 32-битный микроконтроллер Cortex M0+ для управления программным обеспечением, включая выходные данные датчиков. При дополнении узла программным обеспечением, обрабатывающим данные об ориентации в пространстве, BMF055 может применяться как курсовертикаль. Габариты модели – ​5,2×3,8×1,1 мм3. На рис. 3 отображены принципы использования BMF055 в качестве узла для обработки информации о пространственной ориентации БПЛА на основе алгоритмов интеграции потоков данных, поступающих с входящих в его состав датчиков.



Источник: Bosch Sensortec

Рисунок 3. Принципы использования BMF055 в БПЛА в качестве курсовертикали


Для интеграции процессов считывания данных с датчиков и управления БПЛА требуется определенное ПО. При этом интегрированные датчики позволяют перенести некоторые программные функции (например, ориентацию в пространстве) непосредственно в микросхему, объединив на ней возможности считывания данных, получаемых различными датчиками. Компания Bosch Sensortec выпускает не только сами датчики MEMS, но и ПО, необходимое для интеграции потоков данных о пространственной ориентации БПЛА, в котором реализованы функции калибровки датчиков, предварительной обработки данных и получения общей информации об ориентации БПЛА в пространстве. Такой подход Bosch Sensortec позволяет производителям БПЛА снизить сложность инженерной и программной разработки в процессе создания своей продукции, снизить риски и сократить время вывода продукции на рынок. Конечно, программная продукция Bosch Sensortec полностью не решает проблемы производителей БПЛА: им все же необходимо работать над созданием своего собственного ПО, приспособленного к особенностям конструкции и функционирования каждой конкретной модели, что позволит создать замкнутую систему управления и реализовать специфические для данной модели функции.

Именно взаимодействие датчиков MEMS и программного обеспечения обеспечивают существующие характеристики современных БПЛА. Использование выходных данных гиростабилизатора позволяет удерживать БПЛА в горизонтальной плоскости, датчика давления – ​сохранять высоту и нужное местоположение. Умные датчики существенно снижают вероятность возникновения аварийных ситуаций и столкновений. Интеграция данных с модулем GPS позволяет БПЛА осуществлять автономный полет по заданному маршруту, а также обеспечивает реализацию функции «возвращение домой», когда БПЛА автоматически возвращается на первоначальную позицию и осуществляет там безопасную посадку. Среди новейших функций современных БПЛА – ​полеты по кругу и режим «следуй за мной» (автономное следование за человеком). Постепенно реализуются функции управления БПЛА при помощи жестикуляции.

На рис. 4 представлены функции обработки сигналов, характерные для типичного потребительского БПЛА. Цвет блоков отражает разницу между БПЛА, используемыми как игрушки и в профессиональных целях: если для первых достаточно датчиков, обозначенных синими блоками, то вторые в целях обеспечения возможности автономной навигации по маршруту должны быть обязательно дополнены датчиками, обозначенными серыми блоками.



 Источник: Bosch Sensortec

Рисунок 4. Принципы обработки сигналов потребительского БПЛА


Scheiermann Sergej. MEMS Sensors Are the Heart of a Drone. Sensors Online, January 3, 2019: https://www.sensorsmag.com/components/mems-sensors-are-heart-a-drone


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 8(6732) от 22 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.