Руководство по выбору датчика давления БПЛА для определения высоты, скорости полета и управления полетом дрона

На высоте 5000 футов барометрическая ошибка в 10 гПа приводит к ошибке высоты примерно в 84 метра. Для БПЛА с неподвижным крылом, летающего по местности, этот запас представляет собой разницу между чистым проходом и контролируемым столкновением. Датчики давления БПЛА — это инструменты, которые сообщают диспетчеру полета, где находится самолет в атмосфере, и выбор правильного из них должен основываться на измеримых характеристиках, а не на маркетинге технических данных.

Что на самом деле измеряют датчики давления БПЛА

Датчики давления БПЛА обеспечивают три основных измерения: барометрическую высоту, воздушную скорость и вертикальную скорость. Для каждого измерения требуется отдельная конфигурация датчика, а разделение этих функций на ранних этапах процесса проектирования экономит месяцы работы по интеграции.

Барометрическая высота определяется датчиком абсолютного давления. Контроллер полета преобразует статическое давление в порту в высоту, используя стандартную модель атмосферы. Абсолютный датчик с полномасштабным диапазоном измерения 110 кПа охватывает уровень моря примерно до 10 000 метров, что достаточно для большинства коммерческих операций с БПЛА.

Скорость полета использует датчик перепада давления. Трубка Пито создает низкое давление при движении вперед, а датчик считывает зазор давления между статическим портом и трубкой Пито. Результирующая дельта-давление пропорциональна квадрату скорости полета. Для дронов с крейсерской скоростью ниже 10 м/с необходим датчик микродавления с полномасштабным диапазоном менее 1 кПа, поскольку дельта-давление на этих скоростях составляет всего несколько сотен паскалей.

Вертикальная скорость обычно определяется путем дифференцирования сигнала высоты. Некоторые полетные контроллеры сочетают датчик давления с инерциальным измерительным блоком для подавления шума, но датчик давления остается основным источником данных.

Обнаружение влияния земли — еще один вариант использования. По мере приближения БПЛА к посадочной поверхности профиль давления под струей несущего винта меняется. Дифференциальный датчик с диапазоном от 0 до 0,5 кПа и быстрым временем отклика предоставляет данные, необходимые для алгоритма плавного приземления.

MCP-H21 Датчик давления для дронов Описания Серия MCP-H21 представляет собой малогабаритный корпус (SOP) с двумя портами, который объединяет усиление сигнала, нелинейность и температурную компенсацию для... Посмотреть продукт →

Пять характеристик микродатчиков давления, которые важны для проектирования дронов

Пять характеристик определяют, действительно ли датчик давления подходит для дрона: диапазон измерения, точность, выходной формат, корпус и термическая стабильность. Зафиксируйте эти пять значений перед началом разводки печатной платы.

1. Диапазон измерения - Для высоты абсолютный диапазон должен составлять от 30 до 110 кПа. Что касается воздушной скорости, дифференциальный диапазон должен быть таким, чтобы ожидаемый диапазон полета занимал от 50 до 70 процентов полной шкалы.
2. Точность - Полномасштабного выходного сигнала в 0,2 процента достаточно для удержания высоты, но ошибка смещения имеет большее значение, чем линейность. Смещение ФСС на 0,1 процента от базовой опорной точки приводит к кажущейся ошибке высоты в несколько метров.
3. Выходной формат - Цифровой I2C упрощает проводку и удаляет алгоритм компенсации из контроллера полета. Аналоговый выход остается полезным для специализированных плат автопилота с АЦП высокого разрешения и чистым аналоговым интерфейсом.
4. Пакет - Упаковка для поверхностного монтажа (SOP) является обязательной для серийных контроллеров полета. Пакеты DIP или SIP подходят для стендовых испытаний, но редко используются при массовой сборке дронов.
5. Термическая стабильность - Заводская температурная компенсация в нескольких температурных точках обеспечивает стабильность точности во всем рабочем диапазоне.

точность датчика перепада давления Предлагаемые семействами MemsTech MCPh20 и MCPh21 идеально подходят для измерения воздушной скорости и влияния земли на мультикоптерах и платформах с неподвижным крылом.

DPT-R8 Микродатчик давления Введение Предметом настоящего документа являются функциональные характеристики преобразователя дифференциального давления на основе датчиков давления Honeywell серии ABP... Посмотреть продукт →

Цифровой и аналоговый выход: выбор интерфейса для вашего полетного контроллера

Цифровой выход I2C теперь используется по умолчанию для датчиков давления БПЛА, поскольку он переносит рабочую нагрузку по калибровке с контроллера полета. Аналоговый выход по-прежнему важен для пользовательских конструкций автопилотов, которым требуются необработанные данные датчиков.

Цифровые датчики I2C напрямую передают калиброванные данные о давлении и температуре, что снижает нагрузку на процессор и устраняет необходимость в точном аналоговом интерфейсе. Контроллер полета считывает компенсированные значения без выполнения математических вычислений при калибровке. Это самый простой путь к получению надежных данных о высоте и воздушной скорости в компактном летном комплексе БПЛА.

Аналоговые датчики выдают напряжение, линейно пропорциональное давлению. Если автопилот уже имеет 16-битный АЦП со стабильным опорным напряжением, аналоговый датчик может обеспечить меньшую задержку. Однако шум переключения ESC от сильноточных электроприводов может искажать аналоговые показания давления, особенно в многороторных конфигурациях с четырьмя или более ESC. Задержка — еще одно отличие. Цифровые датчики I2C обычно передают данные на частоте 1 кГц, что достаточно для большинства полетных контроллеров. Аналоговые датчики имеют практически нулевую задержку протокола, поскольку значение сразу появляется на выходном контакте.

• Цифровой I2C - Двухпроводная шина, встроенная температурная компенсация, более низкая чувствительность к электромагнитным помехам, более простая разводка в компактных стеках.
• Аналоговое напряжение - Один выходной контакт, требуется внешний АЦП, полный контроль над калибровочной кривой, низкая стоимость компонентов для простых конструкций.

Температурный дрейф: скрытая причина ошибки высоты

Температурный дрейф, а не сам кристалл датчика, является основной причиной ошибки барометрической высоты в системах БПЛА. Температура воздуха падает примерно на 6,5 градусов по Цельсию на каждые 1000 метров подъема, а смещение нулевой точки датчика смещается при изменении температуры упаковки.

Без компенсации колебание на 10 градусов по Цельсию может сместить смещение настолько, что возникнет кажущаяся ошибка высоты на десятки метров. Заводская калибровка решает эту проблему, выполняя нулевую и полномасштабную компенсацию в точках низкой и высокой температуры, а затем проверяя стабильность в течение длительного периода выдержки.

MemsTech применяет этот процесс к каждому продукту перед отправкой, поэтому спецификация FSS в 0,2 процента сохраняется в реальных условиях полета, а не только на бумаге.

Факторы упаковки, интеграции и цепочки поставок для серийных БПЛА

Упаковка для поверхностного монтажа является решающим фактором при массовом производстве дронов. Пакет SOP поддерживает автоматическое перемещение, уменьшает площадь платы и исключает этап пайки сквозных отверстий платы, который замедляет сборку DIP.

При объемах производства более 10 000 единиц выбор упаковки напрямую влияет на производительность и стоимость сборки. Пакеты DIP и SIP по-прежнему полезны для стендового прототипирования, но они увеличивают время цикла и ручной труд на производственной линии. Датчик, предназначенный для поверхностного монтажа, например, серия MCPV5xxx, легко интегрируется с современными профилями для пайки оплавлением.

При выборе датчиков для производства собственные возможности поставщика имеют такое же значение, как и техническое описание. MemsTech выполняет упаковку, соединение проводов, сварку, температурную компенсацию, калибровку и испытания на дрейф на собственном стандартизированном объекте площадью 2000 квадратных метров. Это означает, что согласованность от партии к партии не зависит от внешнего субподрядчика.

practical implication is simple: a manufacturing-focused supplier produces more consistent UAV sensors than a trading company that sources from multiple foundries. For a detailed technical breakdown, refer to this Полное руководство по технологии датчиков давления MEMS .

MCP5700DP Датчик давления для промышленности MCP5XXXDP series has an integrated silicon pressure sensor Signal conditioning, temperature compensation, and calibration Посмотреть продукт →