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MEMS技术--下一代低成本导航选择
作者:Marcel van Hak
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如果观看过索契冬奥会的户外赛事转播,您可能注意到,滑雪板和滑雪赛场上空盘旋着小巧如蜘蛛般的摄像飞行器。这些无人飞行器用于进行航拍,操控性能极其卓越。它们可以近距离捕捉竞技动作,并顺畅地进行跟踪,比安装在起重机或传统直升机上的摄像机更为优越。

是什么使摄像飞行器如此超凡脱俗呢? 一个称为姿态航向参考系统(AHRS)的复杂动作控制和稳定系统,该系统在所有三个轴上安装了微型机电陀螺仪、加速度计和磁力计(罗盘)。这些微型元件称为MEMS(微机电系统),构成了小巧轻便的运动跟踪系统,与以前的产品相比,精度更高、可靠性更好且生产成本更低。

无人驾驶飞行器(UAV)

MEMS AHRS可以装配在最大有效载重约为5至10 kg的小型直升机上,能够提供必要的运动跟踪技术,使得能够操控飞行器并使其保持在航线上。过去,如果要结合考虑所有必要的控制和稳定需求,意味着需要使用高精度的(因而庞大且笨重的)的惯量测量单元(IMU)或昂贵的(也同样庞大的)光纤陀螺仪(FOG)。无论采用哪种方法,装置都过于庞大,无法搭载到小型直升机上。MEMS AHRS产品足够轻便,便于携带,同时足够精确,能够执行必需的测量任务。另外,实时操作要求快速响应,而最新的MEMS AHRS产品延迟不到2 ms,足以进行快速跟踪。

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MEMS AHRS使得这样的摄像飞行器成为可能

在空中,受几乎不间断的振动和长时间加速影响,飞行器可能出现暂时性导航故障,最后会偏离航线。最新级别的抗振MEMS陀螺仪具有高带宽特性并结合使用强大的信号处理算法,能够抵抗频率高达200 Hz的振动,从而提高了短期精度。

长时间加速导致很难读取接近重力的加速度计值。如果不能适当地补偿这些加速度,那么横滚值和俯仰值将不准确,飞行器便会开始偏移航线。新的传感器融合算法可以管理多个传感器的读数,能够帮助MEMS AHRS检测加速度并根据测量的动态特性进行调整。传感器融合也可帮助MEMS设备更好地对抗因钢铁、永磁体和电流而产生的磁场畸变。高性能的传感器融合算法可以补偿此类磁场畸变,并相应调节航向估计值。

移动3D测绘

除了摄像飞行器和其它UAV之外,MEMS技术的一个新兴应用是移动3D测绘,这涉及到利用移动平台上搭载的成像器件来绘制三维地图。通过使用MEMS产品构建内部导航系统(INS),谷歌街景定制车辆所用的同类测绘技术成本将大幅下降,从而能够得到推广应用。例如,可将低成本激光扫描仪或热感摄像机、可输出位置和方向且基于MEMS的INS,以及带控制软件的膝上型电脑全部集成到一个货箱内并放在任何家用汽车上。市政机构可以借助该箱子来监控公共工程。激光扫描解决方案变得非常轻便,可由飞行器携带,因此也可用于航空测绘。国家公园和其它森林地区的消防队可使用搭载测绘设备的飞行器来查找火灾多发地点,而无需租用特殊飞机和飞行员来完成该工作。

货船

对抗振动和磁向的能力也在运输行业为低成本MEMS AHRS开辟了新的机遇。MEMS AHRS可以监控船上任何区域所装载货物的运动、加速度和速度。通过将这些信息与天气数据、海浪测量及其它读数结合使用,MEMS AHRS可以绘制出最佳航道和速度,从而将横摇降至最低,优化油耗并保护货物。如果没有现代基于MEMS的运动跟踪器的精确度和鲁棒性,那么几乎不可能开发出像这样经济高效的应用。

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作为货船导航系统的一部分,MEMS AHRS能够帮助绘制更好、更高效的航道

风筝动力船

MEMS AHRS的另一个应用是在以大型风筝提供推进力的集装箱船上。可将风筝连接在前甲板上,并使用MEMS AHRS来为风筝导向。风筝必须在恰当的时刻进行移动,以便确保提供最大的效率,而MEMS AHRS可以确定这个移动时刻。与无人驾驶飞行器一样,大型风筝也受到高加速度影响,可能影响控制器的精确度。而且,无论是重量还是尺寸有所增加,风筝的效率都受到影响。使用小巧而精确的MEMS AHRS,即可带来恰当的精度,又不会增加任何阻力。同样,MEMS AHRS也可用于控制离岸风车中连接涡轮的风筝。

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MEMS AHRS用于控制风筝动力货船

结论

基于MEMS的产品具有更高的精度、更好的传感器融合算法、元件微型化以及相对低廉的生产成本,因而成为替代传统光学和机械导航设备的诱人选择。摄像飞行器也许是此类基于MEMS的解决方案中最广为人知的应用,但是其它领域的应用也在迅猛发展。例如,移动3D测绘、货船导航系统以及配有风筝的风力驱动船只等等。各种特性的独特组合,以及较低的总成本,使得这这些尺寸小巧的基于MEMS的系统最有可能成为下一代运动跟踪系统中的佼佼者。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/6/2014)
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