Blog về công ty ST LIS3DH Máy gia tốc MEMS 3 trục với giao diện I2C / SPI cho các ứng dụng máy bay không người lái

Công ty TNHH Điện tử Mingjiada Thâm Quyến cung cấp và tái chế STLIS3DHgia tốc kế MEMS ba trục, được trang bị giao diện I²C/SPI, thích hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái.

STLIS3DHlà gia tốc kế MEMS tuyến tính ba trục hiệu suất cao, công suất cực thấp do STMicroelectronics ra mắt. Nó thuộc thế hệ cảm biến quán tính cỡ nano mới, tích hợp kiến ​​trúc cảm biến MEMS đã được chứng minh với bộ xử lý tín hiệu số. Nó đạt tiêu chuẩn với giao diện truyền thông I2C/SPI kép và mang đến những ưu điểm chính như độ chính xác phát hiện cao, dải động rộng, mức tiêu thụ điện năng thấp và khả năng chống rung mạnh. Nó hoàn toàn phù hợp để cảm biến thái độ, phát hiện chuyển động, bù thái độ và bảo vệ an toàn trong máy bay không người lái nhỏ cấp tiêu dùng và cấp công nghiệp, khiến nó trở thành thành phần cảm biến cốt lõi cho hệ thống điều khiển bay không người lái nhẹ, tiết kiệm chi phí.

TÔI.LIS3DHThông số hiệu suất phần cứng cốt lõi

LIS3DH được tối ưu hóa đặc biệt cho các tình huống phát hiện chuyển động động và được điều chỉnh phù hợp với điều kiện bay phức tạp của máy bay không người lái. Các thông số hiệu suất cốt lõi của nó đáp ứng toàn diện các yêu cầu về phát hiện tư thế bay của máy bay không người lái, mang lại sự cân bằng giữa tính ổn định và tính thực tế.

cácLIS3DHhỗ trợ bốn phạm vi đo có thể điều chỉnh linh hoạt: ±2g, ±4g, ±8g và ±16g, có thể chuyển đổi linh hoạt theo kịch bản bay của máy bay không người lái: để bay lơ lửng thường xuyên và bay ổn định, cài đặt ±2g có độ chính xác cao được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của việc phát hiện thái độ; đối với các thao tác, lặn, lăn tốc độ cao và các tình huống bay khắc nghiệt khác, hãy chuyển sang phạm vi rộng hơn để tránh bão hòa và biến dạng dữ liệu, thích ứng hoàn toàn với tất cả các trạng thái chuyển động của UAV trong mọi điều kiện hoạt động. Tốc độ dữ liệu đầu ra của nó có thể được cấu hình linh hoạt trong phạm vi từ 1 Hz đến 5,3 kHz; chế độ tốc độ thấp đáp ứng các yêu cầu hiệu chỉnh thái độ tĩnh, trong khi chế độ tốc độ cao có thể nắm bắt chính xác những thay đổi tức thời về thái độ của UAV, đáp ứng nhu cầu cập nhật điều khiển chuyến bay tần số cao.

Về mức tiêu thụ điện năng và độ ổn định,LIS3DHcó nhiều chế độ vận hành tiêu thụ điện năng cực thấp nhiều giai đoạn; chế độ ngủ và chế độ hoạt động năng lượng thấp giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng từ nguồn điện trên máy bay không người lái, kéo dài hiệu quả độ bền của chuyến bay và làm cho nó phù hợp với các thiết bị máy bay không người lái nhỏ chạy bằng pin lithium. Thiết bị này tích hợp các chức năng tự kiểm tra tích hợp, cơ chế bù nhiệt độ và thuật toán lọc chống rung, giúp ngăn chặn hiệu quả tiếng ồn phát hiện do rung động động cơ và nhiễu loạn luồng không khí trong chuyến bay của máy bay không người lái, đảm bảo đầu ra dữ liệu tăng tốc ba trục ổn định và loại bỏ các vấn đề như trôi dữ liệu và đọc giả. Hơn nữa, thiết kế gói siêu nhỏ của nó nhỏ gọn và cực kỳ nhẹ, không tăng thêm tải trọng cho khung máy bay của máy bay không người lái và phù hợp với xu hướng thiết kế máy bay không người lái nhẹ.

II. Ưu điểm chính của giao diện I2C/SPI kép

cácLIS3DHđạt tiêu chuẩn với hai giao diện truyền thông kỹ thuật số phổ quát—I2C và SPI—và tương thích với các bo mạch chính của bộ điều khiển bay không người lái chính thống (chẳng hạn như STM32, ESP32 và AT32). Nó có thể được điều chỉnh phù hợp với các hệ thống điều khiển chuyến bay với các kiến ​​trúc phần cứng khác nhau, tăng cường đáng kể tính linh hoạt tương thích của thiết bị và đáp ứng các yêu cầu về hệ thống dây điện, tốc độ dữ liệu và mở rộng đa dạng của máy bay không người lái.

1. Giao diện I2C: Lựa chọn ưu tiên để mở rộng nhẹ

Giao diện I2C sử dụng chế độ giao tiếp hai dây, chiếm ít tài nguyên chân cắm trên bộ điều khiển chính và có tính năng nối dây đơn giản, đồng thời hỗ trợ nối chuỗi nhiều thiết bị. Đối với các máy bay không người lái cỡ nhỏ và hệ thống điều khiển chuyến bay tích hợp nhiều cảm biến,LIS3DHcó thể chia sẻ bus I2C với các thiết bị cảm biến như con quay hồi chuyển, phong vũ biểu và từ kế. Điều này giúp đơn giản hóa thiết kế mạch phần cứng, giảm kích thước của bảng điều khiển chuyến bay và giảm chi phí phần cứng, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu thiết kế cho máy bay không người lái tích hợp, nhẹ. Giao diện này cung cấp khả năng liên lạc ổn định và khả năng chống nhiễu vừa phải, có khả năng đáp ứng các yêu cầu về tần số cập nhật dữ liệu thái độ của máy bay không người lái thông thường ở tần số lên tới 100 Hz.

2. Giao diện SPI: Đảm bảo truyền tốc độ cao, độ chính xác cao

Giao diện SPI hỗ trợ giao tiếp song công tốc độ cao, với tốc độ truyền dữ liệu vượt xa I2C, độ trễ truyền dữ liệu cực thấp và khả năng chống nhiễu vượt trội. Đối với các thiết bị yêu cầu tốc độ phản hồi thái độ cực cao—chẳng hạn như máy bay không người lái đua, máy bay không người lái chụp ảnh trên không và máy bay không người lái kiểm tra công nghiệp—giao diện SPI có thể phù hợp với tốc độ đầu ra tối đa của cảm biến là 5,3 kHz, cho phép truyền dữ liệu tăng tốc theo thời gian thực, không bị trễ. Điều này đảm bảo các phản hồi lặp lại nhanh chóng từ các thuật toán điều khiển chuyến bay, cho phép điều chỉnh chính xác tư thế bay và ngăn ngừa các vấn đề như độ trễ tư thế và độ lệch chuyến bay trong chuyến bay tốc độ cao và các vòng quay có thể điều khiển được.

III. Kịch bản ứng dụng cốt lõi choLIS3DHtrong máy bay không người lái

Cốt lõi của việc điều khiển chuyến bay bằng máy bay không người lái nằm ở việc cảm nhận chính xác trạng thái chuyển động và tư thế của khung máy bay. Tận dụng khả năng phát hiện gia tốc ba trục có độ chính xác cao,LIS3DHcó thể thu thập dữ liệu gia tốc tuyến tính dọc theo trục X, Y và Z của khung máy bay. Thông qua tính toán thuật toán, nó rút ra các thông số thái độ như góc nghiêng và góc lăn, cung cấp hỗ trợ toàn diện cho việc kiểm soát chuyến bay của máy bay không người lái và bảo vệ an toàn.

1. Kiểm soát ổn định thái độ cơ bản

Trong các trạng thái bay cơ bản như bay lơ lửng, bay ngang và quay vòng,LIS3DHphát hiện những thay đổi theo thời gian thực về khả năng tăng tốc do độ nghiêng và độ lệch của khung máy bay. Kết hợp với thuật toán PID điều khiển chuyến bay, nó điều chỉnh tốc độ động cơ và công suất đầu ra theo thời gian thực để điều chỉnh tư thế của khung máy bay, chống lại các nhiễu loạn chuyến bay do dòng không khí và gió gây ra. Điều này đảm bảo chuyến bay của máy bay không người lái ổn định và giải quyết hiệu quả các vấn đề như rung hình khi chụp ảnh trên không và độ lệch chuyến bay, đóng vai trò là nguồn dữ liệu cốt lõi cho hệ thống tự ổn định của máy bay không người lái. So với các cảm biến truyền thống, đặc tính tiếng ồn thấp của nó nâng cao đáng kể độ chính xác trong tính toán thái độ, giúp việc bay lơ lửng ở độ cao thấp và chuyến bay điểm cố định ổn định hơn.

2. Phát hiện trạng thái chuyển động và điều chỉnh quỹ đạo

Trong quá trình bay bằng máy bay không người lái, bay theo lộ trình và điều động,LIS3DHnắm bắt chính xác các thông số chuyển động động như tăng tốc, giảm tốc, độ nghiêng và cuộn, cung cấp phản hồi theo thời gian thực về trạng thái chuyển động của khung máy bay. Hệ thống điều khiển chuyến bay sử dụng dữ liệu cảm biến để điều chỉnh quỹ đạo bay theo thời gian thực, đảm bảo máy bay không người lái bay chính xác theo lộ trình định sẵn. Điều này phù hợp với các tình huống vận hành yêu cầu kiểm soát quỹ đạo chính xác, chẳng hạn như chụp ảnh và khảo sát trên không, kiểm tra đường dây điện và bảo vệ cây trồng nông nghiệp. Hơn nữa, phạm vi đo rộng của cảm biến có thể đáp ứng các thao tác cường độ cao—chẳng hạn như lên xuống nhanh và rẽ gấp—do đó ngăn ngừa mất dữ liệu.

3. Các biện pháp an toàn và bảo vệ chống rơi ngã

cácLIS3DHhỗ trợ chức năng kích hoạt ngắt ngưỡng tăng tốc có thể tùy chỉnh, cho phép đặt ngưỡng tăng tốc bất thường thông qua các thanh ghi cấu hình. Trong trường hợp xảy ra các tình huống bất ngờ như ngã, va chạm hoặc va chạm không kiểm soát được, dữ liệu gia tốc ba trục sẽ thay đổi tức thời; cảm biến nhanh chóng kích hoạt tín hiệu ngắt, tín hiệu này được đưa trở lại bộ xử lý chính của bộ điều khiển chuyến bay. Bộ điều khiển chính có thể ngay lập tức thực hiện logic bảo vệ khẩn cấp, chẳng hạn như nhanh chóng khóa động cơ và cắt nguồn điện, từ đó giảm khả năng hư hỏng khung máy bay và cánh quạt. Đồng thời, nó có thể được sử dụng kết hợp với tính năng ghi lỗi chuyến bay để cung cấp hỗ trợ dữ liệu cho việc chẩn đoán lỗi tiếp theo, tăng cường đáng kể sự an toàn của chuyến bay không người lái.

4. Điều hướng quán tính phụ trợ và hiệu chỉnh thái độ

Trong các tình huống không có tín hiệu GPS hoặc tín hiệu vệ tinh yếu (chuyến bay trong nhà, kiểm tra giữa các tòa nhà, hoạt động ở độ cao thấp trong rừng rậm),LIS3DHcó thể kết hợp với con quay hồi chuyển để tạo thành Đơn vị đo quán tính (IMU). Bằng cách sử dụng dữ liệu gia tốc để bù cho lỗi lệch tích phân của con quay hồi chuyển, nó đạt được điều hướng thái độ quán tính thuần túy có độ chính xác cao, đảm bảo hoạt động ổn định của máy bay không người lái trong môi trường không có tín hiệu. Hơn nữa, cảm biến thực hiện hiệu chỉnh tư thế tự động khi bật nguồn, nhanh chóng xác định mặt phẳng tham chiếu ngang của khung máy bay để loại bỏ các lỗi đo do sai lệch lắp đặt và nâng cao độ chính xác của việc điều khiển chuyến bay.

IV. Tóm tắt củaLIS3DHƯu điểm của ứng dụng Drone

So với các gia tốc kế MEMS tương tự, STLIS3DHcung cấp những lợi thế toàn diện đáng kể trong các ứng dụng máy bay không người lái. Thứ nhất, khả năng tương thích giao diện kép của nó cân bằng nhu cầu tích hợp nhẹ với truyền dữ liệu tốc độ cao, khiến nó phù hợp với tất cả các loại giải pháp phần cứng UAV; thứ hai, phạm vi đo rộng và độ chính xác cao có thể điều chỉnh của nó đáp ứng mọi điều kiện vận hành, từ bay lơ lửng tĩnh đến thao tác động; thứ ba, thiết kế tiêu thụ năng lượng cực thấp của nó giúp giảm hiệu quả mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của UAV, từ đó kéo dài thời gian bay; thứ tư, độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu giúp nó phù hợp với môi trường bay phức tạp như những môi trường liên quan đến rung động của UAV và nhiễu loạn luồng không khí; thứ năm, nó mang lại giá trị tuyệt vời và dễ phát triển; với trình điều khiển chính thức toàn diện và cấu hình đăng ký đơn giản, nó có thể nhanh chóng thích ứng với các hệ thống điều khiển chuyến bay khác nhau, rút ​​ngắn đáng kể chu kỳ phát triển sản phẩm.

Nhờ có nhiều ưu điểm cốt lõi này, STLIS3DHđã được áp dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị, bao gồm máy bay không người lái chụp ảnh trên không dành cho người tiêu dùng, máy bay không người lái đua xe, máy bay không người lái kiểm tra công nghiệp nhỏ và máy bay không người lái đào tạo giáo dục. Đây là giải pháp gia tốc kế ba trục có độ tin cậy cao và hiệu quả về mặt chi phí được ưu tiên dành cho các hệ thống cảm biến quán tính trong điều khiển chuyến bay không người lái.