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发布日期: 2021年7月9日

高精度数字传感器:以指尖般的大小维护无人机及铁路安全

惯性传感器可用于检测智能手机和游戏控制器等设备的运动状态,但它的用途不仅局限于此,飞机、火车和轮船等大型运输系统都需要依靠惯性传感器保障运行安全。它们主要用于精准检测物体的运动、旋转及倾斜状态,所以在无人驾驶汽车及火车、货运无人机、空中出租车等改变人类未来生活方式的技术中发挥着不可或缺的作用,高精度惯性传感器也因此备受关注。

工业级无人机的兴起

无人机技术正广泛应用于众多领域,例如视频拍摄、大规模农场航空、检查建筑物及实地调研等。在不远的将来,工业级无人机将被用于投递包裹以及检查一些人类难以前往的地点,以应对劳动力短缺和降低人力成本。

日本经济产业省 (METI) 提出了空中工业革命的旗号,订立法律法规扩大无人机的使用范围,并寄希望于使用无人机解决一系列社会问题。其它世界各国政府也在致力于放松无人机管制并出台相应的无人机安全规范措施。
 

日本经济产业省计划通过无人机解决一些社会问题,并制定了大规模使用无人机的路线图,范围包含以下领域:物流、安保、医疗健康、灾害响应、基建维护管理、实地测量以及农林水产。

随着应用规模的扩大,工业级无人机的飞行范围将从目前的几个限定区域逐渐扩展到人口密集的城市住宅区。而高精度惯性传感器技术可帮助降低坠机风险,保障无人机安全运行,因此目前该技术需求旺盛。

惯性传感器保障无人机平稳飞行

无人机高速飞行时,需要依靠加速度计和陀螺仪传感器这样的惯性传感器来保持稳定的飞行高度。加速度计通过感应物体运动和重力来测量线性加速度,而陀螺仪传感器则是定时检测飞行时的角度变化。这些传感器通过持续检测飞行器的高度和速度,调整各种马达的转速,从而稳定和控制飞行器的高度。

高精度惯性传感器的工业应用

全球定位系统(GPS)等全球卫星导航系统 (GNSS) 已被广泛应用于汽车导航系统和铁路领域,以精确定位汽车和列车的位置。但当车辆驶入隧道或高层建筑群等卫星信号较弱的区域时,则要通过基于车载惯性传感器和里程表的航位推算法*1,结合 GNSS 信息来推测出车辆的大致方位。

而一些设备需要在完全没有卫星信号的区域进行作业,像地下挖掘机,惯性传感器是它们唯一的信息源,因此对传感器的精度有着极高的要求。例如在建筑工地和铁路上,设备要求将震动、冲击、粉尘和温度变化降到最低,才能确保正常稳定地工作。
 

高精度惯性传感器的应用领域

高精度惯性传感器的应用领域
工业级无人机、列车、飞行器及建筑设备需要比一般消费产品更高精度和稳定性的惯性传感器,这些设备上的传感器需要能够承受强烈的震动、冲击和温度骤变。

TDK 惯性传感器:在恶劣飞行环境中保持高重复性

TDK 一直在开发和制造高精度惯性传感器(加速度计和陀螺仪传感器),应用领域包括无人驾驶、铁路导航及航电*2领域。特别是航电领域,从有人飞行器到无人飞行器的飞行控制,其中的惯性测量单元 (IMU)*3 和惯性导航系统 (INS)*4 都有 TDK 产品的身影。这些设备是保障舒适、安全的飞行体验的关键,且必须能够在不断变化的环境下或者长时间的工作状态下保持极高的可靠性和精度。

Vincent GaffVincent Gaff
产品营销负责人
Tronics Microsystems

Vincent Gaff 是 TDK 集团旗下子公司 Tronics Microsystems 的产品营销负责人。对于 TDK 惯性传感器产品,Vincent 介绍道:“Tronics 的惯性传感器拥有更高的精度和重复性。和传统的车载惯性传感器和其它消费级惯性传感器相比,Tronics 产品具备 10 倍到 100 倍的抗震能力,而且在成本上也比现有的模拟石英加速度计更低,非常适合工作环境恶劣、对高精度和长期稳定性有需求的领域,如铁路、飞行器和船舶导航、建筑设备等。”

 

AXO® 是目前最新的高性能 MEMS 加速度传感器,通过利用MEMS 技术*5 以及力再平衡传感器架构实现了与传统模拟晶体传感器相当的精度,但体积更小、重量更轻,成本也更低,还支持数字化输出。即使在具有挑战性的飞行条件下,它也具备 1mg 的精确复合偏置可重复性。其轻量化的 SMD 封装和数字化输出可简化集成,有助于缩小设备体积,并尽可能降低高性能 IMU 及 INS 设备成本。

 

GYPRO® 作为一款高性能 MEMS 陀螺仪传感器,可在恶劣的环境下保持出色的偏置稳定性,并且噪音和延迟极低。和传统的机械陀螺仪和光纤陀螺仪相比,GYPRO® 更轻便、成本更低,同时支持数字输出。

 

Gaff 补充道:“在一些新兴的创新领域,如货运无人机和空中出租车,高精度、高可靠性的惯性传感器的作用至关重要,我们在这方面有强劲的优势。因为我们的传感器具备高可重复性和稳定性,还支持持续自检,可以让客户构建适用于安全关键型应用的 IMU 和 INS 设备。”

 

TDK 的惯性传感器将继续推动技术进步,以及对传感器精度和可靠性要求较高的行业的发展,例如无人驾驶汽车、铁路、飞行器、精密测量仪器、机器人和工业设备。

 

AXO315® 加速度计/GYPRO® 陀螺仪传感器

AXO315® 加速度计/GYPRO® 陀螺仪传感器

TDK 的加速度计和陀螺仪传感器融合了先进的 MEMS 技术。这些高附加价值的数字MEMS 惯性传感器将在工业物联网时代为移动性创造着新的解决方案。要了解更多信息,请访问产品中心

术语

  1. 航位推算法:一种仅利用车载设备计算载具方位的技术。
  2. 航电:飞行器上的电子设备。该词是由“航空”和“电子”两个词组成的混合词。相关设备包括自动驾驶、导航系统及通讯设备。
  3. 惯性测量单元 (IMU):一个使用加速计和陀螺仪实施惯性测量,以测量和报告载具的加速度、方向、角速度和其他重力的电子设备。
  4. 惯性导航系统 (INS):一种无需借助外部参考,通过计算机、运动传感器(加速度计)和旋转传感器(陀螺仪传感器)持续对某个运动中物体的位置、方向及速率(包括运动的方向和速度)进行航位推测的导航设备。
  5. 微机电系统 (MEMS) 技术:半导体微制造技术的延伸,用于在硅基板上集成电路、可移动机构和传感器,并予以量产。

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