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，傳統(tǒng)的載人飛行器一般使用機械陀螺和光纖陀螺來完成這項任務，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，家用游戲機和手機的迅速發(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傳感器與手機和游戲機來自相同的廠家，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，已經經歷了多次較大變革。
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芯片已經被所有進行飛行器項目開發(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時還是其他廠商望塵莫及的。而對于旋轉矩陣、四元數(shù)和歐拉角格式的融合演算數(shù)據的輸出更是降低了主控單片機解算姿態(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的工作。難怪INVENSENSE自信地稱這款產品為MPU(Motion Processor Unit，運動處理單元)，并且在芯片型號后面不加任何后綴。
所有想深入進行飛行器開發(fā)的愛好者們都應該從這款芯片開始學習傳感器的應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，便做出了經典的飛行器產品。
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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，MS5611一經推出就立即成為所有飛行器氣壓測量的標配。
MS5611傳感器響應時間只有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。霍尼韋爾也是在研發(fā)了數(shù)十款相關的產品之后，才最終有能力生產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。對于愛好者們來說，HMC5883已經夠用了。
磁阻傳感器的設計難點在于鐵氧體的消磁，能夠把鐵氧體傳感器和消磁驅動單元、12位ADC、運算核心等全部集成在如此小的芯片當中是十分不易的。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)布陀螺產品的公司，但L3GD20還是晚來了一步。雖然它精度更高，但是風頭已被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，以至于PIXHawk一度想用它取代MPU6000。當然，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，互為補充，成就了PIXHawk的冗余設計。
L3GD20具備與單片機相同的供電電壓、-40℃至+85℃的工作環(huán)境溫度、兼容I2C和SPI數(shù)字接口、內置可調低/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產品來與其競爭。
與單片機相同的供電電壓、-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。 |
