MEMS陀螺仪注入飞控大脑，协同作用为消费级无人机保驾护航
2015-09-12 09:45:15   来源：华强电子   评论：0   点击：

按照不同使用领域的划分，无人机可划分为军用、民用以及消费级三大类。早些年间，无人机主要应用于军事领域。但随着技术的进步以及市场的需求，目前，无人机已经震撼向民用和消费级市场“侵袭”。对于无人机而言，最为核心的技术难点在于飞控系统，飞控系统堪比无人机的“大脑”，而陀螺仪正是飞控系统必不可少的一部分，随着MEMS技术的不断提高， MEMS陀螺仪在无人机的应用越发广泛。那么， MEMS陀螺仪对无人机而言究竟有多重要？

消费级无人机时代降临，四轴无人机是主流带动MEMS陀螺仪需求量

2011年以后，中国消费级民用无人机企业逐渐增多，据了解，目前深圳与无人机相关的企业就已经增至200余家，正在向“无人机之都”发展，其中大疆无人机已经成为“中国制造”的典型代表。同时，也加强了社会对无人机的关注，无人机在消费级市场的应用也迎来了空前的热潮。

据ADI亚太区微机电产品市场和应用经理（以下简称“ ADI”）赵延辉介绍:“从全球来看，带航拍功能的无人机需求量应该在200万台左右，而玩具类无人机的需求量则会更多，应该是千万量级的，其中主要以多翼无人机对MEMS陀螺仪的需求量最大，应该占60%以上。”

据无锡麦姆斯咨询有限公司（以下简称“麦姆斯咨询”） CEO 王懿表示，全球无人机在2014年迎来大约39万架的销量，其中军用无人机占4%，民用无人机占96%。预测未来几年无人机将保持快速增长的趋势，到 2020年，全球无人机年销量有望达到433万架，市场规模将达到259亿美元。

 

麦姆斯咨询 CEO 王懿

深圳智航无人机有限公司（以下简称“智航无人机”）董事长金良也称，“目前无人机市场的出货量应该很可观，无人机的出货量肯定是有增无减的，但是具体的数量不好说。”

 

智航无人机 董事长 金良​

麦姆斯咨询王懿还分析了军用无人机的市场情况，据其表示，军用无人机需求与全球各个国家的军费开支息息相关，目前全球军费开支约占全球GDP的3%左右，欧洲经济低迷，美国也打算缩减军费开始，全球GDP增速下滑，预计未来全球军费开支增速也将放缓，所以军用无人机的增长速度不会太快。而民用无人机则将保持较快的增长速度，2014年全球民用无人机销量37.8万架，其中专业级无人机销量约12.6万架，消费级无人机销量约25.5万架，预计2015年同比将保持50%的增长。

此外，王懿还称，中国2014年无人机销量约2万架，其中军用无人机约占1.4%，民用无人机占98.6%，预计到2020年中国无人机年销量将达到29万架。近些年，中国民用无人机发展非常迅猛，未来几年将保持50%以上的增长，2014年中国民用无人机销售规模已经达到40亿元。

展望未来的发展前景，王懿表示：“无人机的发展前途无量，在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域，无人机都已经崭露头角。但是，民用无人机市场在全球范围出现爆发性增长还需要突破两个瓶颈：空域资源和安全问题。一旦在世界范围内这两个问题得到解决，人类利用无人机征服空域的想象空间将被彻底打开，全球民用无人机市场可能呈现出爆发式的增长。”

目前消费级无人机以多轴无人机为主，其中最常见的是四轴无人机、六轴无人机和八轴无人机。那么，为何无人机市场以多轴无人机见长呢？据记者了解到，其主要原因在于多旋翼降低了无人机相关技术壁垒，同时还形成了一些优势，比如说多轴无人机手控更加方便，稳定性相对而言也得到了提高，更为重要的是简化了复杂的姿态控制程序。

当然，多轴无人机也有其缺点，这些缺点主要是由于技术瓶颈所造成的，例如，多轴无人机的载荷非常小，如果要增强其载荷的话，则无人机的尺寸规模势必将大幅增加。此外，功耗等问题也是多轴无人机亟待突破的难点，目前多轴无人机的续航方式主要包括电池和燃油两种方式，消费级多轴无人机主要以电池续航为主，而民用无人机则多用燃油的方式。在前不久的深圳无人机展会上，据记者了解到，大部分消费级无人机的续航能力都较低，一般在15分钟至35分钟内，而民用无人机（燃油）的续航时间也大多数是在1.5小时到3小时之间。无论是消费级多轴无人机还是民用多轴无人机，续航能力成为亟待突破的难题之一。如何在续航时间与载荷之间选择，是不少民用无人机厂商所需思考的问题。

既然当前消费级无人机市场主要是多轴无人机，那么，几轴无人机占市场主流呢？对此问题，金良称，目前市场上主要的多轴无人机是四轴的，相对其他多轴无人机，四轴无人机的比例是很高的，应该占多轴无人机市场的90%以上，因此，这也造成了四轴无人机对MEMS陀螺仪的需求量很大。综合考虑结构和控制的难易程度，以及效率、成本、安装和维修等因素，会发现四轴无人机是最优的，不但结构简单，而且其成本相对其他多轴无人机而言也相对较低，此外，安装和维修也十分方便。

据王懿介绍，螺旋桨越多，无人机在飞行时就越稳定，但代价时耗电也就越快。“稳定性”是飞行器实现悬停和航拍的基本要素，比如说四轴消费级无人机，由于其稳定性最差，所以对MEMS陀螺仪的需求最大。MEMS陀螺仪可以检测无人机在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化，在检测到角度变化后，就可以控制电机向相反的方向转动，进而达到稳定的效果。

王懿同样表示消费级无人机市场以四轴无人机居多，据其强调，四轴消费级无人机以其极低的操作门槛和低廉的价格引爆了消费类无人机市场。但是，最可怕的是无人飞机失控后，可能造成用户和周围的人的伤害。因此，安全性也是无人机重点考量的指标。为了保证四轴消费级无人机的安全性，MEMS陀螺仪有望成为标配。

上海矽睿科技有限公司 CEO（以下简称“矽睿科技”）谢志峰同样表示，MEMS陀螺仪将会成为无人机的标配，其市场出货量等同于无人机的市场出货量，因为绝大部分的无人机（不管是几轴）都会配置MEMS陀螺仪。

总的来说，消费级无人机市场已经爆发，而四轴无人机成为消费级无人机市场的先驱者，将带动整个消费级无人机市场爆发，主要原因在于四轴无人机的结构、集成度、成本及操控方面都具有一定的优势。对无人机而言，最为重要的莫过于飞控系统，飞控系统直接衡量了一架无人机的性能水平，而陀螺仪作为飞控系统不可或缺的一部分，更是充当栋梁的角色。因此，消费级无人机的市场需求量也带动一些相关的芯片厂商，而陀螺仪厂商正是其中之一，在如今无人机刚起步的潮流中，MEMS陀螺仪的优势显而易见，也成为不少无人机厂商的选择。

MEMS陀螺仪需组合其他传感器使用，欧拉角和四元数表述飞行姿态

据了解，无人机的飞控系统主要包括以下几部分：陀螺仪、加速计、磁场感应、GPS模块以及控制电路，其主要的功能是自动保持飞机的正常飞行姿态。飞控系统直接决定了无人机在飞行过程中的稳定性、可靠性、可控性和安全性， MEMS 陀螺仪作为其中的一部分，大部分受访者都表示MEMS陀螺仪有望成为无人机飞控系统中陀螺仪的标配，那么，首先来看看MEMS陀螺仪对比其他的陀螺仪有何优势。

王懿总结道：“ MEMS陀螺仪优势在于：（1）降低飞行器成本，促进市场应用蓬勃发展；（2）减少了无人机的重量，降低了功耗，提升了飞行时间；（3）通过MEMS技术集成更多传感器，有利于实现姿态的精确控制。不足之处：相比光纤陀螺仪、激光陀螺仪，MEMS陀螺仪的零漂和精度较差。”

金良认为， MEMS陀螺仪优势明显，但也存在一定局限性。“ MEMS陀螺仪能使无人机的姿态和导航更加稳定和准确，同时，其功耗也更低。而且MEMS陀螺仪成本的也在不断降低，尺寸越来越小，而动态范围则在扩大。整体而言，传感器更小且集成的轴数越多，则更有利于无人机的姿态感知，当然，也有不足之处比如说速度还不够快，精度也不够高，而且最大的测量范围也存在着一定的局限性。”

金良所述MEMS陀螺仪的局限性，主要碍于目前MEMS技术水平。但这些都无法影响到MEMS陀螺仪在无人机飞控系统中用来实现飞行器的平衡控制和辅助导航的其重要地位。

据深圳市大谷科技有限公司（以下简称“大谷科技”） CEO彭茂根表示， 在各种无人机中，无论是军用无人机、民用中型无人机，个人小型航拍无人机，无人机飞行控制系统是其核心，在实现可靠控制的同时，稳定灵活也是衡量一款无人机是否成功的标志之一。为了实现稳定控制和灵活的飞行，无人机必须集成包括陀螺仪、加速度计、倾斜传感器、空速传感器、气压高度计等多种传感器，在飞行过程中利用协处理器对其姿态进行精确调节和控制，其中陀螺仪起到了很大的作用。

据王懿介绍，飞控系统是无人机上所有用来传递操纵指令，驱动舵面运动的所有部件和装置的总和。飞控系统主要由机载部分和地面控制站两个部分组成，其中，机载部分主要包括传感器、舵机和飞行控制器。飞控系统是整个无人机机载设备的核心组成部分，飞控系统能否正常工作，直接影响着无人机飞行的各种性能和飞行安全。

​“在飞控系统中，主要采用MEMS陀螺仪测量飞行过程中的俯仰角和滚转角，但一般需要配合MEMS加速度计，因为每种传感器都有一定的局限性。”王懿解释道，“例如，MEMS陀螺仪测量的是角速度，要通过积分才能获得角度。在积分的过程中，由于零漂影响，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。那么，这就需要采用另一种MEMS传感器来校正MEMS陀螺仪。由于MEMS加速度计没有积分误差，所以在相对静止的条件下可以校正MEMS陀螺仪的误差。随着MEMS技术不断成熟，目前 MEMS 陀螺仪和加速度计已经集成在一起，通常称为6轴组合传感器。在此涉及的关键技术包括硬件（6轴组合传感器）和软件（滤波算法、姿态/导航算法等）两部分。”

谢志峰也认为MEMS陀螺仪会与其他传感器配合使用：“无人机会至少配置‘陀螺仪+加速度计’六轴传感器组合，高端无人机会配置‘陀螺仪+加速度计+磁传感器’九轴传感器组合，并集成六轴/九轴的数据融合/姿态稳定算法。”实际除了加速度计外，还有磁力计和GPS辅助校正。

金良同样称，MEMS陀螺仪必须与其他传感器进行数据融合，由于MEMS陀螺仪并不能提供绝对的基准，因此，如何从带有噪声的MEMS陀螺仪数据中获取更为准确的稳定的实时姿态信息成为目前飞控系统需突破的重点。陀螺仪长时间工作会产生漂移和积分误差，加速度短时间响应不够快的话就会收到外界的干扰，因此，一般将陀螺仪和加速计集成在一起配合使用，当然，也有分开使用的，然后由飞控软件对两者进行互补。

当然也有特例，上海深迪半导体有限公司（以下简称“深迪”）市场副总监黄岩提出了自己的看法，他认为，如果 MEMS 陀螺仪的零偏不稳定性指标低至一定程度的话，比如低于0.1deg/h，那么MEMS陀螺仪则完全可以单独使用，并且这一指标的MEMS陀螺仪还可以取代磁传感器，通过测量地球自转来寻北。

至于MEMS陀螺仪是如何与其他传感器配合使用实现平衡控制和辅助导航，金良详细向记者解释道：“比如说，三轴加速度和三轴陀螺仪（角速度）并发传送给单片机或DSP处理，然后由单片机或DSP进行姿态解算（如四元数），求解出当前飞机的pitch、roll及yaw三个角度值，再根据这三个角度经过PID控制运算，输出四路PWM控制四个电机（对四轴无人机而言）的加减速从而达到无人机的平衡悬停状态。”

金良还强调，因为MEMS陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，并与MEMS加速度计（加速计）形成优势互补，组合使用加速度计和陀螺仪两种传感器，就能更好的跟踪并捕捉三维空间的完整运动，在没有GPS或GPS数据更新的空隙间，则由陀螺仪和加速度计组合来辅助导航。

据王懿介绍，一个系统的独立控制量输入维数如果小于这个系统的自由度，那么这个系统就称为欠驱动系统。四轴无人机有四个独立的输入，即由四个独立电机带动的螺旋桨，同时机身具有六个自由度的变化，因此四轴无人机是一种典型的欠驱动系统。针对四轴无人机的控制算法，效果比较好的有线性二次型最优控制、反步控制、PID控制、滑模控制等。

王懿还解释了MEMS陀螺仪是如何实现平衡控制的。“四轴无人机在空中飞行时，飞行器的飞行方向与飞行速度都是通过飞行器的倾角决定的，飞行器朝哪个方向倾斜飞行器就会向哪个方向飞行，倾斜角越大飞行速度越快。通过调节各个螺旋桨的转速即可调节无人机的飞行姿态。”他说。

在无人机飞控系统中，当MEMS陀螺仪配合加速度计使用之时，不能缺少算法。据赵延辉介绍，目前最常用的算法就是互补滤波，卡尔曼滤波和捷联惯导，简单的说就是利用MEMS陀螺仪，加速度计和磁力计等传感器融合，在不同的场景下，采用不同的权重算出俯仰角、滚转角、航向角的变化，再通过PID控制来实现平衡控制。

精准的输出值才能更加精确的表述出无人机的飞行状态。据金良介绍，无人机飞行状况输出值有四元素、欧拉角、方向余弦矩阵三个，其中四元素的优势在于方便计算差值，但遗憾的是很难直接表示旋转，而方向余弦矩阵的系数太多，因此很难插值；欧拉角虽然相对而言表达更加简单，不过，其存在万向锁的问题。

王懿也介绍了飞行姿态的表述方式：“对四轴无人机姿态进行控制，首先要对姿态进行表述，目前常用的姿态表述有欧拉角和四元数表示两种方式，欧拉角表示比较直观但是在进行旋转矩阵计算时计算量较大，而四元数表示法则克服了这一缺点。其次要对姿态进行检测，姿态检测主要是将MEMS陀螺仪、 MEMS加速度计等传感器对角速度、加速度的测量值转化成初步的估计姿态，再经过滤波算法进行数据融合。最后是选用合适的控制算法对姿态进行控制。”

从上述内容可知MEMS陀螺仪对无人机而言不可或缺，与其他传感器组合使用才能更加准确的表述无人机的飞行姿态，那么，对于四轴、六轴、八轴等多轴无人机而言，采取几颗MEMS陀螺仪更好呢？是否是翼越多使用的MEMS陀螺仪就越多？

对此问题，据王懿解释称，多轴无人机一般采用一颗三轴MEMS陀螺仪，主要任务是姿态检测和导航控制。如果搭载云台用于航拍，那么也可以在云台上采用一颗MEMS陀螺仪，用于摄像机的图像稳定拍摄。在多轴无人机中，并不是机翼越多采用的MEMS陀螺仪就越多。

金良也认为，一般而言，无人机中是采取一颗MEMS陀螺仪，不过个别的使用两颗。以保证飞机在三个轴上的稳定。飞控软件会协调好这些。飞机上使用几个陀螺仪几乎跟机翼个数没有关系。一般多轴只使用一颗三轴陀螺仪。比如我们最新的产品Mirage幻影无人机就采用了一颗三轴陀螺仪。

赵延辉也向记者解释：“一般最少采用一颗，来做机身的平稳控制和辅助导航。也有采用两颗的，一个做机身的平稳控制和辅助导航，一个做相机架的平稳控制。当然出于不同的考虑，还有更多的，比如不同应用场景下，启动不同量程的陀螺仪。还有通过举手表决算法来提高系统可靠性的，这时一个轴向上可能就需要3-5颗陀螺仪。”

MEMS陀螺仪所测量的是无人机的角速度，但由于MEMS陀螺仪的输出值需要通过积分才能获取角度，因此需要加速度传感器有效的对其进行校正。但是，尽管如此，当无人机处于飞行状态下的时候，加速度传感器的精确性有所降低，原因在于其所测量的是重力和外力的合力，因此，降低无人机的震动强度，将可以增加MEMS陀螺仪和加速度传感器的输出值的精确度。

MEMS陀螺仪输出值受多方面影响，需算法与减震装置双管齐下

在上文中提到，MEMS陀螺仪的输出值需要加速度计来进行校正，不过，即使在零输入的状态下，MEMS陀螺仪依然会有输出。据了解，其输出的是白噪声和慢变随即函数的叠加，并且会导致飞行姿态不稳定，发生偏航等现象。因此，精准的算法对输出值而言十分有必要。据赵延辉介绍，目前无人机的主流算法有互补滤波，卡尔曼滤波和捷联惯导这三种。那么，该如何解决这种不良影响呢？

对上述问题，金良提出了自己的解决方案，据其介绍，要解决该问题就需要尽量做好滤波，即使用卡尔曼滤波等尽量去掉噪声，同时还需引入其他参考（如加速度传感器和电子罗盘）对陀螺仪进行校准。黄岩则提出了另一种看法：“慢变随机函数的输出，俗称‘零飘’（零偏不稳定性），我们一般用allan方差来计算这个‘零飘’，深迪半导体汽车工业级MEMS陀螺仪SZ007A零偏不稳定性指标最低可为3.5deg/h。这个输出与正常信号输出都在信号带宽内，会引起误操作，所以在一般应用中，采用与其它传感器进行融合的方式进行校正。”

除此之外， MEMS陀螺仪的输出结果还会随着角速度的变化而变化，并且会受到自身设计和工艺的限制，这些内因也将会成为无法准确测量飞行姿态的原因之一。因此，除了在算法上下功夫使得输出数据更加精准之外，减轻震荡也不失一种可行的有效方式。

金良从两方面对记者进行了解析：“一方面，从陀螺仪本身出发，需要对陀螺仪的输出数据进行有效的滤波，并选取一个合适的采样频率，以此减小震动对真实数据的影响，另一方面，就是从无人机本身出发降低无人机的震动，对电机进行减震，并对电机和桨叶做运动平衡测试，使得震动尽量减小，比如说在飞控系统下面加减震海绵或者减震球等减装置。我们公司的无人机就是在飞控系统下面加了减震装置，初步采用的是在飞控系统坑子下面加减震海绵，以降低对飞控系统的影响，因此，哪怕无人机意外坠落，也不会轻易对陀螺仪产生较大的冲击。

赵延辉也提出了一种解决方案，据其介绍，灌胶和加减震材料是较常用的方法，但这也会引入一些问题，比如灌胶后，外部压力对传感器的影响，减震材料随着时间推移发生老化等，尤其是在相对高温的应用场景下。对于MEMS陀螺仪的厂商来说，就是要设计保证陀螺仪在振动状态下的输出稳定性，也就是deg/sec/g和deg/sec/g^2的指标要越小越好。ADI的MEMS陀螺仪在这方面的性能还是比较突出的，这主要是通过差分设计结构和生产工艺保证的。

针对这方面，赵延辉还介绍了ADI的MEMS陀螺仪，据其表示，ADI的MEMS陀螺仪可以保证振动条件下的输出稳定性，全温范围内的重复性和线性度，以及受冲击和振动后的零点稳定性，这些都是ADI工业级陀螺仪的优势。如果单纯在室温条件下采样很多点来算真均值，那么很难体验到ADI陀螺仪的所有优势，只是简单的评估了器件的噪声性能。

据王懿介绍，无人机在飞行过程中，由于存在电动机及风力等随机振源，机身会产生振动和噪声，降低工作精度， 增加结构之间的磨损，甚至产生共振，造成结构破坏。尤其是对于无人机的MEMS陀螺仪，输出的信息直接决定了无人机的导航精度，因此减震具有重要意义。“通常可以采用系统减振/隔离装置，如橡胶隔离减振器、横臂式减振器、垂直减振器等。对于采用用于航拍的无人机，可以使用减震云台，通过减震器减小震动对摄像机成像质量的影响。”王懿表示。

此外，王懿还讲述了另一种方案，即集成多种有效的姿态测量方式。“人机姿态测量方法有多种，除了采用MEMS陀螺仪的惯性测量方法，还有基于红外技术的姿态测量（如红外热电堆探测器）、基于多GPS接收器的姿态测量等。那么，在成本允许的前提下，无人机可以集成几种测量方法来避免震动对MEMS陀螺仪的影响。”他说。

减震的方式除了选择更优异的算法、增加减震装置及集成多种姿态测量方式外，另外一种有效的方式就是尽量避免无人机出现较大的震动。王懿告诉记者，无人机飞行时会受到较大的加速度冲击，理想情况陀螺仪要尽量抑制这种冲击。例如，ADI的MEMS陀螺仪在设计的时候，充分考虑到这种情况，利用双核和四核的机械结构，采用差分输出的原理来抑制这种“共模”的冲击，准确测量“差模”的角速度变化。

在一定的程度上，MEMS陀螺仪决定了无人机的安全性，因为其输出值决定了飞行姿态。如何保证无人机的安全性是无人机厂商需思考的重要问题。据赵延辉表示，“安全”对无人机来说应该是最重要的，MEMS陀螺仪在各种极端条件下是否有稳定的输出对飞控系统来说至关重要。比如受到冲击和振动的影响，突然间的姿态变化引起超过器件的量程，器件工作的环境温度急剧上升等，这些在器件设计和生产的过程中，都是要考虑的关键因素。而这些又往往容易被忽视，因为它们不是陀螺仪的最基本指标。

为了防止无人机意外坠毁等问题，有效的监控无人机的飞行姿态最为可取，但是，一旦无人机失控， 那么无人机坠毁的概念将实现上升。因此，王懿向记者介绍了一种解决这种情况的方案：“为了预防意外坠落情况，可以为四轴飞行器设计一种‘自主降落伞回收系统’，其概念类似汽车安全气囊，当出现意外时及时打开保护装置。‘自主降落伞回收系统’可以采用MEMS加速度计和MEMS陀螺仪来判断意外情况（即使陀螺仪出现非常大的零点偏移，也可以通过MEMS加速度计实现准确判断），以便降落伞在最紧要的时刻打开。”

除了安全性之外，无人机的稳定性和平衡性也十分重要，其实稳定性与平衡性决定了无人机是否安全。据彭茂根介绍，可靠性是指尽量减少“炸机”的风险。所谓炸机是指无人机由于操作或外部因素等原因导致非正常坠地。炸机的后果，轻则飞机损坏需要维修，重则伤害到他人的人身或财产安全。在受到一般五六级风力或者其他暴力遥控操作等外力作用下，无人机飞行过程中可能会变得不稳定，这就需要飞控系统根据陀螺仪等传感器反馈的姿态信息进行自身调节。

此外，彭茂根还强调了无人机平衡性的重要性，他表示：“平衡性是无人机体验的另一个重要方面，指无人机的飞行是否平稳、动作是否灵活、云台是否抖动。平衡性过关，无人机才可以演示一些比较灵活的动作，如空中盘旋、原地旋转、斜掠式绕圈飞行等。在拍摄视频时，无人机与云台是否平稳决定了视频的拍摄质量，如果云台或飞机抖动，那拍摄的视频无法使用，基本上这款无人机就是失败的。比如个人DIY或者个别公司做出的产品可能在做斜飞、盘旋等动作特别是高难度转弯时，会出现拍摄抖动或者动作生硬不灵活的情况，这实际上是在对陀螺仪等传感器与协处理器的算法上没有进行优化。从严格的意义上，这就不能达到能够上市的产品要求。”

消费级无人机市场的爆发，使得该领域成为MEMS陀螺仪新的应用场所，同时，MEMS陀螺仪的采用，也使得无人机的飞控系统更为优异出色。尽管如此，但由于每种传感器都有自身的局限，以及受到设计和工艺等原因的影响，导致MEMS陀螺仪的输出值并非十分精准，因此MEMS陀螺仪需与其他传感器集成组合使用，通过其他传感器对MEMS陀螺仪的输出值进行校正，以达到精准的表述无人机的飞行姿态的效果。此外，选择优异的算法、减震、集成多种测量无人机姿态的方式于一体等方式，也是提高MEMS陀螺仪输出结果精确度的有效方式。可靠性与平衡性在很大程度上决定了无人机的安全性，MEMS陀螺仪在其中起到关键性作用。简而言之，MEMS陀螺仪有望成为标配，将使得无人机飞的更稳更安全！