MEMS技術(shù)--下一代低成本導(dǎo)航選擇

如果觀看過索契冬奧會的戶外賽事轉(zhuǎn)播，您可能注意到，滑雪板和滑雪賽場上空盤旋著小巧如蜘蛛般的攝像飛行器。這些無人飛行器用于進行航拍，操控性能極其卓越。它們可以近距離捕捉競技動作，并順暢地進行跟蹤，比安裝在起重機或傳統(tǒng)直升機上的攝像機更為優(yōu)越。 是什么使攝像飛行器如此超凡脫俗呢？ 一個稱為姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS)的復(fù)雜動作控制和穩(wěn)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)在所有三個軸上安裝了微型機電陀螺儀、加速度計和磁力計（羅盤）。這些微型元件稱為MEMS（微機電系統(tǒng)），構(gòu)成了小巧輕便的運動跟蹤系統(tǒng)，與以前的產(chǎn)品相比，精度更高、可靠性更好且生產(chǎn)成本更低。 無人駕駛飛行器(UAV) MEMS AHRS可以裝配在最大有效載重約為5至10 kg的小型直升機上，能夠提供必要的運動跟蹤技術(shù)，使得能夠操控飛行器并使其保持在航線上。過去，如果要結(jié)合考慮所有必要的控制和穩(wěn)定需求，意味著需要使用高精度的（因而龐大且笨重的）的慣量測量單元(IMU)或昂貴的（也同樣龐大的）光纖陀螺儀(FOG)。無論采用哪種方法，裝置都過于龐大，無法搭載到小型直升機上。MEMS AHRS產(chǎn)品足夠輕便，便于攜帶，同時足夠精確，能夠執(zhí)行必需的測量任務(wù)。另外，實時操作要求快速響應(yīng)，而最新的MEMS AHRS產(chǎn)品延遲不到2 ms，足以進行快速跟蹤。 MEMS AHRS使得這樣的攝像飛行器成為可能 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/332252.htm在空中，受幾乎不間斷的振動和長時間加速影響，飛行器可能出現(xiàn)暫時性導(dǎo)航故障，最后會偏離航線。最新級別的抗振MEMS陀螺儀具有高帶寬特性并結(jié)合使用強大的信號處理算法，能夠抵抗頻率高達200 Hz的振動，從而提高了短期精度。 長時間加速導(dǎo)致很難讀取接近重力的加速度計值。如果不能適當?shù)匮a償這些加速度，那么橫滾值和俯仰值將不準確，飛行器便會開始偏移航線。新的傳感器融合算法可以管理多個傳感器的讀數(shù)，能夠幫助MEMS AHRS檢測加速度并根據(jù)測量的動態(tài)特性進行調(diào)整。傳感器融合也可幫助MEMS設(shè)備更好地對抗因鋼鐵、永磁體和電流而產(chǎn)生的磁場畸變。高性能的傳感器融合算法可以補償此類磁場畸變，并相應(yīng)調(diào)節(jié)航向估計值。 移動3D測繪 除了攝像飛行器和其它UAV之外，MEMS技術(shù)的一個新興應(yīng)用是移動3D測繪，這涉及到利用移動平臺上搭載的成像器件來繪制三維地圖。通過使用MEMS產(chǎn)品構(gòu)建內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，谷歌街景定制車輛所用的同類測繪技術(shù)成本將大幅下降，從而能夠得到推廣應(yīng)用。例如，可將低成本激光掃描儀或熱感攝像機、可輸出位置和方向且基于MEMS的INS，以及帶控制軟件的膝上型電腦全部集成到一個貨箱內(nèi)并放在任何家用汽車上。市政機構(gòu)可以借助該箱子來監(jiān)控公共工程。激光掃描解決方案變得非常輕便，可由飛行器攜帶，因此也可用于航空測繪。國家公園和其它森林地區(qū)的消防隊可使用搭載測繪設(shè)備的飛行器來查找火災(zāi)多發(fā)地點，而無需租用特殊飛機和飛行員來完成該工作。 貨船 對抗振動和磁向的能力也在運輸行業(yè)為低成本MEMS AHRS開辟了新的機遇。MEMS AHRS可以監(jiān)控船上任何區(qū)域所裝載貨物的運動、加速度和速度。通過將這些信息與天氣數(shù)據(jù)、海浪測量及其它讀數(shù)結(jié)合使用，MEMS AHRS可以繪制出最佳航道和速度，從而將橫搖降至最低，優(yōu)化油耗并保護貨物。如果沒有現(xiàn)代基于MEMS的運動跟蹤器的精確度和魯棒性，那么幾乎不可能開發(fā)出像這樣經(jīng)濟高效的應(yīng)用。 作為貨船導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分，MEMS AHRS能夠幫助繪制更好、更高效的航道 風(fēng)箏動力船 MEMS AHRS的另一個應(yīng)用是在以大型風(fēng)箏提供推進力的集裝箱船上?？蓪L(fēng)箏連接在前甲板上，并使用MEMS AHRS來為風(fēng)箏導(dǎo)向。風(fēng)箏必須在恰當?shù)臅r刻進行移動，以便確保提供最大的效率，而MEMS AHRS可以確定這個移動時刻。與無人駕駛飛行器一樣，大型風(fēng)箏也受到高加速度影響，可能影響控制器的精確度。而且，無論是重量還是尺寸有所增加，風(fēng)箏的效率都受到影響。使用小巧而精確的MEMS AHRS，即可帶來恰當?shù)木?，又不會增加任何阻力。同樣，MEMS AHRS也可用于控制離岸風(fēng)車中連接渦輪的風(fēng)箏。 MEMS AHRS用于控制風(fēng)箏動力貨船 結(jié)論 基于MEMS的產(chǎn)品具有更高的精度、更好的傳感器融合算法、元件微型化以及相對低廉的生產(chǎn)成本，因而成為替代傳統(tǒng)光學(xué)和機械導(dǎo)航設(shè)備的誘人選擇。攝像飛行器也許是此類基于MEMS的解決方案中最廣為人知的應(yīng)用，但是其它領(lǐng)域的應(yīng)用也在迅猛發(fā)展。例如，移動3D測繪、貨船導(dǎo)航系統(tǒng)以及配有風(fēng)箏的風(fēng)力驅(qū)動船只等等。各種特性的獨特組合，以及較低的總成本，使得這這些尺寸小巧的基于MEMS的系統(tǒng)最有可能成為下一代運動跟蹤系統(tǒng)中的佼佼者。(end)