Blog về công ty ST LSM6DSR 6 trục iNEMO-Inertial Modules cho ứng dụng máy bay không người lái

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. cung cấp và tái chế mô-đun quán tính iNEMO 6 trục ST LSM6DSR, phù hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái.

Trong hệ thống điều khiển bay của máy bay không người lái, đơn vị đo lường quán tính (IMU) là thành phần cốt lõi để ước tính độ ổn định, ổn định hướng và điều hướng chính xác; độ chính xác, tốc độ phản hồi động và khả năng chống nhiễu của nó trực tiếp xác định sự ổn định bay và an toàn hoạt động của máy bay không người lái. Mô-đun quán tính thông minh iNEMO 6 trục ST’s LSM6DSR tích hợp một gia tốc kế kỹ thuật số 3 trục có độ chính xác cao và con quay hồi chuyển kỹ thuật số 3 trục có phạm vi siêu cao. Với phạm vi đo động rộng, kiến trúc năng lượng thấp, khả năng xử lý dữ liệu thông minh và khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt, nó hoàn toàn phù hợp với nhiều loại máy bay không người lái, bao gồm máy bay không người lái đua cấp tiêu dùng, máy bay không người lái kiểm tra công nghiệp, máy bay không người lái bảo vệ cây trồng và máy bay không người lái chụp ảnh trên không nhỏ, làm cho nó trở thành thành phần cảm biến quán tính được ưa chuộng cho các hệ thống điều khiển bay máy bay không người lái cao cấp hiện nay.

I. Tổng quan cốt lõi về sản phẩm LSM6DSR

LSM6DSR là thế hệ mới các mô-đun đo lường quán tính MEMS hiệu suất cao iNEMO của ST. Sử dụng kiến trúc tích hợp một chip, nó có thể thu thập dữ liệu chuyển động không gian sáu chiều mà không cần cảm biến phụ trợ bên ngoài, do đó giải quyết hoàn toàn các vấn đề về kích thước lớn, sai lệch tín hiệu và khả năng tương thích kém liên quan đến các giải pháp đa chip truyền thống. Mô-đun sử dụng quy trình sản xuất MEMS (Hệ thống Vi Cơ Điện Tử) đã được chứng minh của ST. Thông qua hiệu chuẩn nhà máy có độ chính xác cao, nó giảm hiệu quả sự trôi nhiệt độ và sự trôi điểm không. Nó cũng được chứng nhận theo tiêu chuẩn độ tin cậy cấp ô tô AEC-Q100, mang lại khả năng chống rung và sốc vượt trội, cũng như phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, làm cho nó phù hợp với các điều kiện bay khắc nghiệt mà máy bay không người lái gặp phải, chẳng hạn như độ cao lớn, tốc độ cao và luồng không khí phức tạp.

Phần cứng được đóng gói trong thiết kế gắn bề mặt LGA-14L nhỏ gọn, vừa nhỏ vừa nhẹ, giảm thiểu tải trọng lên khung máy bay không người lái. Nó đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thu nhỏ và tải trọng thấp của máy bay không người lái đua loại micro và máy bay không người lái chụp ảnh trên không nhẹ, đồng thời đơn giản hóa bố cục phần cứng của bo mạch chủ điều khiển bay và giảm chi phí sản xuất hàng loạt và gỡ lỗi.

II. Các thông số chính của LSM6DSR

Cấu hình thông số của LSM6DSR được tối ưu hóa cho các tình huống liên quan đến chuyển động máy bay không người lái tốc độ cao, thay đổi độ ổn định đột ngột và nhiễu động mạnh. Các thông số hiệu suất cốt lõi của nó được tùy chỉnh theo yêu cầu của thuật toán điều khiển bay máy bay không người lái, như chi tiết dưới đây:

1. Con quay hồi chuyển (3 trục)

- Phạm vi đo siêu rộng: Hỗ trợ điều chỉnh đa bước của ±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000 dps. Phạm vi siêu cao ±4000 dps là một lợi thế độc đáo cho máy bay không người lái FPV đua, cho phép ghi lại hoàn hảo các thao tác xoay tốc độ cao, quay tốc độ cao, lặn xoáy và các thao tác cực đoan khác, loại bỏ hoàn toàn các vấn đề như mất dữ liệu độ ổn định và mất điều khiển bay do bão hòa tín hiệu cảm biến

- Phản hồi động cao: Hỗ trợ tốc độ đầu ra dữ liệu siêu cao với các cập nhật độ ổn định rất thời gian thực, cho phép ghi lại chính xác các thay đổi độ ổn định ở cấp mili giây để đáp ứng các yêu cầu tính toán thời gian thực của chuyến bay máy bay không người lái động tốc độ cao

- Đặc tính trôi thấp: Thuật toán bù nhiệt độ tích hợp giảm đáng kể sự trôi điểm không trong môi trường nhiệt độ cao và thấp, đảm bảo không có sai lệch độ ổn định hoặc trôi hướng trong chuyến bay kéo dài

2. Gia tốc kế (3 trục)

- Khả năng thích ứng đa phạm vi: Hỗ trợ chuyển đổi giữa bốn phạm vi đo (±2g, ±4g, ±8g và ±16g), đáp ứng các yêu cầu thu thập dữ liệu gia tốc cho các điều kiện bay khác nhau, bao gồm bay ổn định thông thường, thao tác tốc độ cao, tác động khi hạ cánh và giảm chấn khi hạ cánh

- Độ chính xác lấy mẫu cao: Thiết kế lấy mẫu nhiễu thấp lọc hiệu quả các tín hiệu nhiễu do rung động động cơ máy bay không người lái và nhiễu loạn luồng không khí, đảm bảo độ ổn định ngang chính xác trong khi bay lơ lửng tĩnh và bay tuần tra tốc độ thấp

3. Các thông số cốt lõi chung

- Tiêu thụ điện năng cực thấp: Tổng tiêu thụ điện năng chỉ 1,2mA ở chế độ hiệu suất cao; hỗ trợ quản lý năng lượng động thông minh, tự động giảm tốc độ xung nhịp để tiết kiệm năng lượng trong thời gian nhàn rỗi, kéo dài hiệu quả thời lượng pin của máy bay không người lái

- Bộ đệm FIFO thông minh: Có bộ đệm FIFO phần cứng dung lượng cao 9 KB tích hợp có khả năng lưu trữ theo lô dữ liệu độ ổn định, nhiệt độ và dấu thời gian, giảm đáng kể tải đọc và xử lý dữ liệu trên chip chính của bộ điều khiển bay, và ngăn ngừa mất dữ liệu và giật trong chuyến bay tốc độ cao

- Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng: Phạm vi nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến +85°C, phù hợp với điều kiện nhiệt độ thấp ở độ cao lớn, nhiệt độ mùa hè gay gắt và biến động nhiệt độ ngoài trời phức tạp, đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết

- Giao diện truyền thông: Hỗ trợ các giao thức truyền thông I2C và SPI tiêu chuẩn, tương thích với các chip chính điều khiển bay máy bay không người lái phổ biến (STM32, ESP32, v.v.), mang lại khả năng thích ứng vượt trộiLSM6DSR

LSM6DSR

1. Dải động siêu cao, phù hợp với các tình huống bay cực đoan

Con quay hồi chuyển IMU sáu trục thông thường có phạm vi tối đa chỉ ±2.000 dps, không đủ để hỗ trợ các thao tác xoay tốc độ cao, xoay liên tục và các thao tác cường độ cao khác của máy bay không người lái FPV địa hình và máy bay không người lái đua, khiến chúng rất dễ bị bão hòa dữ liệu và lỗi tính toán độ ổn định. Ngược lại, phạm vi đo siêu rộng ±4.000 dps của LSM6DSR là một yêu cầu cốt lõi, thiết yếu cho máy bay không người lái có khả năng cơ động tốc độ cao. Nó bao phủ hoàn toàn việc thu thập dữ liệu tốc độ góc cho tất cả các thao tác bay cực đoan, đảm bảo dữ liệu độ ổn định vẫn đầy đủ và hợp lệ ngay cả trong các chuyển động mạnh mẽ, do đó loại bỏ rủi ro mất ổn định bay ở cấp độ phần cứng.LSM6DSRTrong quá trình bay của máy bay không người lái, việc thu thập dữ liệu độ ổn định tần số cao và tính toán thời gian thực đặt một gánh nặng tính toán khổng lồ lên bộ điều khiển chính.

LSM6DSR

được trang bị bộ nhớ đệm thông minh FIFO phần cứng 9KB tự động xử lý đóng gói, sắp xếp và lưu trữ tạm thời dữ liệu, loại bỏ nhu cầu bộ điều khiển chính phải thăm dò và đọc dữ liệu theo thời gian thực. Điều này giải phóng đáng kể sức mạnh xử lý của bộ điều khiển chính, cho phép hệ thống điều khiển bay tập trung vào các thuật toán cốt lõi như tính toán độ ổn định, điều chỉnh PID và lập kế hoạch điều hướng, do đó cải thiện hiệu quả tốc độ phản hồi bay và độ mượt của điều khiển đồng thời giảm tiêu thụ điện năng của thiết bị.

3. Khả năng chống nhiễu mạnh mẽ và độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện hoạt động phức tạp

Trong quá trình bay, máy bay không người lái liên tục chịu rung động động cơ tần số cao, cộng hưởng khung máy bay, tác động luồng không khí và biến động nhiệt độ; cảm biến thông thường dễ gặp các vấn đề như nhiễu dữ liệu cao, trôi nghiêm trọng và trục trặc hoạt động. LSM6DSR đã trải qua quá trình tối ưu hóa triệt tiêu rung động chuyên nghiệp và có mạch lọc phần cứng tích hợp để lọc hiệu quả nhiễu rung động cơ học; hơn nữa, các tiêu chuẩn độ tin cậy cấp ô tô của nó đảm bảo khả năng chống sốc và biến động nhiệt độ tuyệt vời, mang lại hiệu suất ổn định mà không bị suy giảm độ chính xác đáng kể ngay cả trong các hoạt động bay ngoài trời kéo dài và cường độ cao.LSM6DSRMáy bay không người lái cực kỳ nhạy cảm với trọng lượng khung máy bay và tiêu thụ điện năng; cảm biến quá nặng làm giảm khả năng cơ động bay và rút ngắn thời gian bay.

LSM6DSRLSM6DSR

IV. Các kịch bản ứng dụng cốt lõi cho

LSM6DSR

1. Ước tính độ ổn định cơ bản và điều khiển ổn định

Đây là ứng dụng cơ bản cốt lõi của LSM6DSR trên máy bay không người lái. Gia tốc kế thu thập dữ liệu thời gian thực về độ nghiêng ngang của khung máy bay và hướng trọng lực, trong khi con quay hồi chuyển ghi lại các thay đổi tần số cao về vận tốc góc ba trục của độ nghiêng, độ nghiêng ngang và độ quay. Hệ thống điều khiển bay kết hợp dữ liệu sáu trục và sử dụng các thuật toán lọc Kalman và lọc bổ sung để thực hiện ước tính độ ổn định có độ chính xác cao, hiệu chỉnh độ ổn định của khung máy bay theo thời gian thực để cho phép máy bay không người lái bay lơ lửng tại chỗ, bay tuần tra mượt mà và khóa độ ổn định, loại bỏ các vấn đề bay như trôi, rung lắc và sai lệch, và nâng cao đáng kể sự ổn định bay cơ bản.

2. Đua tốc độ cao / Chuyến bay cực đoan địa hình FPV

Để đáp ứng nhu cầu về các thao tác tốc độ cao và nhào lộn cực đoan trong máy bay không người lái địa hình FPV và máy bay không người lái đua, phạm vi con quay hồi chuyển siêu rộng ±4.000 dps của LSM6DSR đóng vai trò quan trọng. Nó ghi lại chính xác dữ liệu tốc độ góc trong các thao tác cường độ cao như xoay tốc độ cao, quay nhanh, lặn thẳng đứng và xoay liên tục, mà không bị bão hòa hoặc biến dạng dữ liệu. Điều này cung cấp hỗ trợ dữ liệu đáng tin cậy cho việc hiệu chỉnh độ ổn định thời gian thực của bộ điều khiển bay và việc thực hiện chính xác các thao tác nhào lộn, làm cho nó trở thành cảm biến quán tính tiêu chuẩn cho máy bay không người lái đua cao cấp.

3. Điều hướng chính xác và hoạt động điểm-tới-điểm

Máy bay không người lái được sử dụng cho kiểm tra công nghiệp, bảo vệ cây trồng nông nghiệp, khảo sát và thăm dò, và các hoạt động khác đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về độ chính xác định vị bay và sự ổn định đường bay. Dữ liệu chuyển động có độ chính xác cao, trôi thấp của LSM6DSR có thể được kết hợp với dữ liệu từ GPS, BeiDou, khí áp kế và cảm biến siêu âm để đạt được điều hướng tích hợp. Điều này hiệu chỉnh chính xác các lỗi trôi định vị GPS, đảm bảo máy bay không người lái bay ổn định dọc theo các đường bay được thiết lập trước và cho phép bay lơ lửng chính xác, hoạt động chính xác và bay lại tuyến đường, do đó nâng cao hiệu quả độ chính xác và hiệu quả của các hoạt động kiểm tra, bảo vệ cây trồng và khảo sát.

4. Ổn định độ ổn định bay và ổn định chụp ảnh trên không

Trong các ứng dụng máy bay không người lái chụp ảnh trên không, LSM6DSR liên tục thu thập dữ liệu về các rung động nhỏ và sai lệch độ ổn định của khung máy bay, truyền dữ liệu này đến hệ thống ổn định gimbal và các thuật toán chống rung của bộ điều khiển bay. Nó bù đắp theo thời gian thực cho các sai lệch độ ổn định do rung khung máy bay và nhiễu loạn không khí gây ra, hỗ trợ gimbal đạt được ổn định ba trục. Điều này loại bỏ hiệu quả hiện tượng rung máy ảnh và sai lệch trong cảnh quay trên không, đảm bảo cảnh quay mượt mà, độ nét cao, và phù hợp với chụp ảnh trên không chuyên nghiệp, sản xuất phim và khảo sát trên cao.LSM6DSRMô-đun có thể giám sát độ ổn định bất thường của máy bay không người lái, rung động mạnh, lặn đột ngột, va chạm và các điều kiện khác theo thời gian thực. Khi phát hiện dữ liệu chuyển động vượt quá ngưỡng bay bình thường, nó có thể nhanh chóng kích hoạt các cơ chế bảo vệ an toàn của bộ điều khiển bay, cho phép các chức năng như hiệu chỉnh độ ổn định, bay lơ lửng khẩn cấp, quay về nhà bằng một nút bấm và bảo vệ hạ cánh bắt buộc. Điều này giảm thiểu hiệu quả rủi ro máy bay không người lái bị rơi và hư hỏng, do đó nâng cao an toàn bay.

V. Các giải pháp triển khai và các điểm tối ưu hóa chính của UAV

LSM6DSR

1. Thích ứng phần cứng

Sử dụng hàn gắn bề mặt LGA-14L tiêu chuẩn, nó tương thích với bố cục bo mạch chủ điều khiển bay phổ biến. Nó giao tiếp trực tiếp với bộ điều khiển chính qua giao diện I2C/SPI, loại bỏ nhu cầu về các mạch điều chỉnh tín hiệu bổ sung; Trong quá trình lắp đặt, đặt mô-đun cách xa các thành phần tạo ra trường điện từ mạnh hoặc rung động, chẳng hạn như động cơ và ESC. Sử dụng các miếng đệm giảm sốc để giảm thiểu hơn nữa rung động cơ học và nhiễu điện từ, do đó cải thiện độ chính xác dữ liệu.

2. Tối ưu hóa thuật toán phần mềm

Tận dụng khả năng đa phạm vi của LSM6DSR, cấu hình có thể được điều chỉnh cho các mẫu máy bay không người lái cụ thể: đối với máy bay không người lái đua, bật phạm vi con quay hồi chuyển ±4000 dps để đảm bảo hiệu suất bay tối đa; đối với các mẫu khảo sát và chụp ảnh trên không, chọn phạm vi trung bình đến thấp để cải thiện độ chính xác dữ liệu; tận dụng đầy đủ chức năng bộ đệm FIFO và cấu hình chế độ đọc dữ liệu theo lô để giảm tải tính toán trên bộ điều khiển bay; kết hợp các tính năng bù nhiệt độ của mô-đun với các thuật toán lọc điều khiển bay được tối ưu hóa để giảm thiểu hơn nữa sự trôi nhiệt độ và nâng cao sự ổn định trong các chuyến bay kéo dài.LSM6DSR

Sử dụng chức năng quản lý năng lượng thông minh của mô-đun để thiết lập các chế độ hoạt động đa cấp: bật chế độ hiệu suất cao trong các hoạt động bay để đảm bảo truyền dữ liệu thời gian thực; chuyển sang chế độ năng lượng thấp trong khi chờ bay lơ lửng để giảm tiêu thụ điện năng tổng thể, do đó cân bằng hiệu suất bay với thời gian bay.

VI. Tóm tắt và giá trị ứng dụng của LSM6DSRMô-đun quán tính iNEMO 6 trục ST LSM6DSR đáp ứng chính xác các yêu cầu cốt lõi của UAV về ‘độ chính xác cao, động lực học cao, độ ổn định cao và tiêu thụ điện năng thấp’. So với IMU 6 trục truyền thống, bốn ưu điểm cốt lõi của nó — phạm vi con quay hồi chuyển siêu rộng, bộ nhớ đệm dữ liệu thông minh, độ tin cậy cấp ô tô và kiến trúc năng lượng cực thấp — giải quyết hoàn hảo các điểm yếu của ngành như cảm biến tiêu chuẩn không thể xử lý chuyến bay có khả năng cơ động tốc độ cao, tải CPU cao trên bộ điều khiển chính, khả năng thích ứng môi trường kém và tiêu hao pin đáng kể.