Blog về công ty ST LIS2DH12 MEMS Digital Output Three-Axis Linear Accelerometer cho máy bay không người lái

Công ty TNHH Điện tử Thâm Quyến Mingjiada cung cấp và tái chế cảm biến gia tốc tuyến tính kỹ thuật số MEMS ba trục ST LIS2DH12, phù hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái.ST LIS2DH12 là cảm biến gia tốc tuyến tính kỹ thuật số MEMS ba trục, hiệu suất cao, siêu tiết kiệm năng lượng do STMicroelectronics ra mắt. Nó thuộc dòng chip vi cảm biến 'Femtosecond/Nano' của ST và được thiết kế đặc biệt cho các tình huống phát hiện chuyển động đòi hỏi tiêu thụ điện năng thấp, phản ứng động cao và độ ổn định cao. Chip tích hợp các đơn vị cảm biến gia tốc ba trục có độ chính xác cao với mô-đun xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Nó không yêu cầu mạch chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số bên ngoài và có thể xuất trực tiếp tín hiệu kỹ thuật số tiêu chuẩn hóa. Nó hoàn toàn phù hợp với các chức năng cốt lõi như cảm biến tư thế bay, giám sát chuyển động và bảo vệ an toàn trên máy bay không người lái nhỏ cấp tiêu dùng và cấp công nghiệp, làm cho nó trở thành một trong những thành phần cốt lõi được ưa chuộng cho các bộ đo lường quán tính (IMU) của máy bay không người lái.

Chip này loại bỏ sự can nhiễu tín hiệu và suy giảm độ chính xác liên quan đến các cảm biến tương tự truyền thống, đồng thời mang lại lợi thế về phạm vi đo rộng, tốc độ làm mới cao, tiêu thụ điện năng cực thấp và gói nhỏ gọn. Nó tương thích với nhiều loại máy bay không người lái, bao gồm máy bay không người lái đa cánh quạt, máy bay không người lái cánh cố định, máy bay không người lái chụp ảnh trên không di động và máy bay không người lái kiểm tra nhỏ, và có khả năng thu thập dữ liệu chuyển động bay một cách ổn định trong môi trường ngoài trời phức tạp, cung cấp hỗ trợ dữ liệu chính xác cho tính toán tư thế và kiểm soát ổn định trong hệ thống điều khiển bay.1. Thông số hiệu suất cốt lõi

LIS2DH12 có cấu hình tham số được tối ưu hóa cho động lực học bay của máy bay không người lái, đáp ứng yêu cầu phát hiện cho cả chuyến bay ổn định tốc độ thấp và chuyến bay cơ động tốc độ cao. Các tham số cốt lõi như sau:- Tốc độ làm mới dữ liệu cực cao: Tốc độ dữ liệu đầu ra (ODR) bao phủ một phạm vi rộng từ 1 Hz đến 5,3 kHz; chế độ tần số cao có thể nắm bắt chính xác những thay đổi tức thời về tư thế của máy bay không người lái, giải quyết hiệu quả các vấn đề trễ dữ liệu trong quá trình bay và cơ động tốc độ cao, do đó đảm bảo hiệu suất thời gian thực của hệ thống điều khiển bay.

- Đầu ra cảm biến có độ chính xác cao: Độ nhạy dao động từ 1 mg/digit đến 192 mg/digit, mang lại độ phân giải tuyệt vời, phát hiện chính xác các thay đổi nhỏ về độ nghiêng, rung động và dịch chuyển của máy bay không người lái, nâng cao đáng kể độ chính xác tính toán tư thế.

- Dải điện áp hoạt động rộng: Điện áp hoạt động dao động từ 1,71 V đến 3,6 V, với hỗ trợ nguồn điện I/O độc lập 1,8 V. Nó tương thích với các hệ thống nguồn điện hạ áp của pin lithium-ion UAV và các mạch nguồn chính của bộ điều khiển bay khác nhau, mang lại khả năng thích ứng phần cứng vượt trội.2. Giao diện phần cứng và tính năng chức năng

Chip được trang bị các giao diện kỹ thuật số công nghiệp đa năng và các mô-đun chức năng có thể lập trình, giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế phần cứng của hệ thống điều khiển bay máy bay không người lái và nâng cao độ ổn định của hệ thống:

- Giao diện truyền thông kỹ thuật số kép: Đi kèm với hai giao diện kỹ thuật số nối tiếp — I²C và SPI. Giao diện SPI tốc độ cao đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu tần số cao, trong khi giao diện I²C cho phép kết nối mạng đa cảm biến, tạo điều kiện cho hoạt động phối hợp của mô-đun IMU của máy bay không người lái với con quay hồi chuyển và từ kế.- Thuật toán phát hiện tư thế thông minh: Hỗ trợ gốc cho phát hiện tư thế và định hướng 6D/4D, cho phép xác định chính xác các thay đổi trên các trục nghiêng, lật và quay của máy bay không người lái, và cho phép xác định tư thế cơ bản mà không cần cổng thuật toán phức tạp.

- Bộ đệm FIFO tích hợp và chức năng tự kiểm tra: Một đơn vị bộ đệm FIFO dữ liệu tích hợp lưu trữ dữ liệu chuyển động bay để ngăn ngừa mất dữ liệu trong quá trình lấy mẫu tốc độ cao; một mô-đun tự kiểm tra tích hợp tự động xác minh trạng thái hoạt động của cảm biến khi bật nguồn, đảm bảo độ tin cậy của chuyến bay của máy bay không người lái.

- Gói nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ: Sử dụng gói LGA siêu nhỏ gọn, có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, không gây thêm tải trọng cho khung máy bay không người lái và đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu thiết kế của máy bay không người lái nhỏ, nhẹ và máy bay không người lái chụp ảnh trên không siêu nhỏ.

III. Ưu điểm ứng dụng của LIS2DH12

1. Đáp ứng các yêu cầu cốt lõi của điều khiển bay máy bay không người lái

Cốt lõi của chuyến bay máy bay không người lái nằm ở sự ổn định tư thế và điều khiển chuyển động chính xác. Nhờ khả năng cảm biến gia tốc ba trục chính xác, LIS2DH12 có thể giám sát gia tốc tuyến tính, rung động và độ nghiêng của máy bay không người lái theo các trục X, Y và Z trong thời gian thực. Kết hợp với dữ liệu con quay hồi chuyển để thực hiện hợp nhất dữ liệu IMU, nó đạt được ước tính tư thế có độ chính xác cao, đảm bảo bay lơ lửng ổn định, theo dõi đường bay chính xác và cơ động mượt mà. Điều này giúp loại bỏ hiệu quả các rung động và trôi dạt trong chuyến bay, nâng cao đáng kể sự ổn định của hoạt động chụp ảnh trên không và kiểm tra.

2. Tiêu thụ điện năng thấp để đáp ứng yêu cầu về thời gian bay của máy bay không người lái

Thời gian bay là một chỉ số hiệu suất cốt lõi của máy bay không người lái và mức tiêu thụ điện năng cực thấp của LIS2DH12 mang lại lợi thế đáng kể. Khi máy bay không người lái ở chế độ chờ hoặc bay lơ lửng tại một điểm cố định, chip có thể chuyển sang chế độ ngủ năng lượng thấp, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng tổng thể của máy bay; nó tự động thức dậy và tiếp tục hoạt động chỉ khi phát hiện chuyển động của thân máy hoặc thay đổi tư thế. Cơ chế quản lý năng lượng động này giảm thiểu tiêu thụ điện năng nhàn rỗi và, so với các cảm biến gia tốc truyền thống, giảm hiệu quả mức tiêu thụ điện năng tổng thể của mô-đun cảm biến, do đó kéo dài thời gian hoạt động của máy bay không người lái.

3. Độ tin cậy cao phù hợp với môi trường hoạt động phức tạp

Máy bay không người lái thường hoạt động ngoài trời ở độ cao lớn trong điều kiện luồng không khí phức tạp, nơi chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn không khí, rung động khung máy bay và biến động nhiệt độ. LIS2DH12 có khả năng chống rung và chống nhiễu tuyệt vời. Cơ chế lọc tín hiệu tích hợp của nó lọc bỏ nhiễu rung tần số cao trong chuyến bay, xuất ra dữ liệu chuyển động sạch và đáng tin cậy; đồng thời, chip có độ ổn định hoạt động cao với độ trôi nhiệt độ tối thiểu, duy trì độ chính xác cao trên một phạm vi nhiệt độ rộng, làm cho nó phù hợp với các kịch bản hoạt động phức tạp như kiểm tra ngoài trời, chụp ảnh trên không và khảo sát.

4. Bảo vệ an toàn thông minh cho an toàn bay của máy bay không người lái

Tận dụng chức năng phát hiện rơi tự do và ngắt bất thường chuyển động tích hợp, LIS2DH12 cho phép thiết lập hệ thống bảo vệ an toàn chủ động cho máy bay không người lái. Trong trường hợp máy bay không người lái rơi không kiểm soát, bất thường tư thế nghiêm trọng hoặc va chạm bất ngờ, chip sẽ ngay lập tức kích hoạt tín hiệu ngắt, được chuyển đến bo mạch điều khiển bay để thực hiện nhanh chóng các hành động bảo vệ như ngắt nguồn, triển khai dù và hiệu chỉnh tư thế khẩn cấp. Điều này làm giảm nguy cơ máy bay không người lái bị rơi và hư hỏng, do đó nâng cao an toàn bay.

IV. Các kịch bản ứng dụng điển hình của LIS2DH12 trên máy bay không người lái

- Máy bay không người lái chụp ảnh trên không cấp tiêu dùng: Cung cấp khả năng phát hiện tư thế có độ chính xác cao để đảm bảo bay lơ lửng ổn định và bay mượt mà, loại bỏ rung máy ảnh trong cảnh quay trên không. Khi kết hợp với gimbal, nó cho phép quay phim ổn định, độ nét cao, trong khi phát hiện chuyển động tạo điều kiện cho các chức năng thông minh như cất cánh bằng tay và khóa tư thế.

- Máy bay không người lái đua siêu nhỏ: Với tốc độ làm mới dữ liệu cực cao 5,3 kHz, nó nắm bắt chính xác những thay đổi tức thời về gia tốc trong quá trình cơ động tốc độ cao, quay gấp và bổ nhào, đáp ứng yêu cầu điều khiển thời gian thực của chuyến bay động lực học cao cho máy bay không người lái đua. Phạm vi đo rộng ±16g của nó phù hợp với các điều kiện cơ động cực đoan.

- Máy bay không người lái giáo dục và nghiên cứu: Với các giao diện phổ dụng, cấu hình đơn giản và chi phí có thể kiểm soát, nó phù hợp cho việc giảng dạy máy bay không người lái tại trường đại học, nghiên cứu và phát triển thuật toán tư thế, và các thí nghiệm dẫn đường quán tính. Các tham số có thể được cấu hình linh hoạt, tạo điều kiện cho việc phát triển thứ cấp và gỡ lỗi chức năng.Là một cảm biến gia tốc MEMS ba trục siêu tiết kiệm năng lượng, có độ chính xác cao và độ tin cậy cao, ST LIS2DH12 hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu thiết kế cốt lõi của máy bay không người lái: cấu trúc nhẹ, tiêu thụ điện năng thấp, độ ổn định cao và phản ứng động cao. Các lợi thế chính của nó — phạm vi đo có thể cấu hình, tốc độ làm mới rộng, phát hiện chuyển động thông minh và yêu cầu thích ứng phần cứng tối thiểu — cho phép nó bao phủ toàn diện các tình huống cảm biến tư thế, giám sát chuyển động và bảo vệ an toàn trên máy bay không người lái cấp tiêu dùng, cấp công nghiệp và siêu nhỏ. Là một thành phần cốt lõi chất lượng cao cho hệ thống cảm biến quán tính IMU của máy bay không người lái, nó kết hợp hiệu suất thực tế xuất sắc với giá trị vượt trội về chi phí phát triển, làm cho nó có ứng dụng rộng rãi cho sản xuất hàng loạt và nghiên cứu phát triển lặp lại của nhiều sản phẩm máy bay không người lái.