회사 블로그 ST LSM6DS3 iNEMO 6DoF 무인 항공기용 관성 측정 장치

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd.는 ST의 LSM6DS3 iNEMO 6DoF 관성 측정 장치를 공급 및 재활용합니다.드론 애플리케이션에 적합합니다.

ST의 LSM6DS3 iNEMO 6DoF 6축 관성 측정 장치는 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 통합합니다. 높은 통합성, 낮은 전력 소비, 높은 샘플링 속도 및 강력한 간섭 내성 덕분에 소비자 등급 및 경공업 등급 드론의 비행 제어 시스템을 위한 주류 센싱 솔루션이 되었으며 멀티 로터, 고정익 드론 및 소형 수직 이착륙(VTOL) 드론과 같은 다양한 비행 플랫폼과 광범위하게 호환됩니다.LSM6DS3는 ST의 성숙하고 대량 생산되는 iNEMO 스마트 모션 센싱 시리즈의 고성능 MEMS 6축 관성 센서입니다. 단일 칩 통합 아키텍처를 채택하여 추가적인 기본 센싱 구성 요소 없이 6자유도 모션 데이터 수집을 가능하게 합니다. 이 칩은 고정밀 3축 선형 가속도계와 3축 각속도 자이로스코프를 통합하며, 온도 센싱 장치, 지능형 FIFO 버퍼 및 하드웨어 모션 감지 엔진도 통합합니다. 기존의 멀티 칩 구성의 번거로운 설계를 제거함으로써 UAV 비행 제어 하드웨어 아키텍처를 크게 단순화하고 핵심 센싱 모듈의 크기를 줄여 경량 및 소형 UAV의 설계 요구 사항을 충족합니다.

LSM6DS3는 시장에서 철저히 검증되었으며 안정적인 공급과 높은 수율을 제공합니다. 우수한 기계적 충격 저항성을 갖추고 있어 드론 비행 중에 발생하는 진동, 이착륙 충격 및 복잡한 공기 흐름 교란을 견딜 수 있습니다. 소형 및 중형 드론의 비행 제어 설계에 선호되는 구성 요소이며 STM32와 같은 주류 비행 제어 마이크로컨트롤러와 원활하게 통합되어 고성능 자세 감지 시스템을 구축할 수 있습니다.LSM6DS3의 하드웨어 매개변수는 동적 드론 비행의 감지 요구 사항에 맞춰 정밀하게 조정되어 고정밀과 실시간 성능의 균형을 맞춥니다. 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

- 센싱 아키텍처: 6DoF 6축 융합, 3축 가속도계 및 3축 자이로스코프로 구성되어 데이터 지연 또는 편차 없이 동기식 모션 데이터 수집 가능

- 샘플링 속도: 최대 1.6kHz의 고속 샘플링 및 초저 데이터 지연으로 드론의 실시간 자세 계산 및 동적 안정화를 위한 고주파 데이터 요구 사항 충족

- 전력 소비: 고성능 모드에서 0.90mA의 낮은 전류 소비; 저전력 절전 및 상시 모니터링 모드 지원으로 무부하 및 호버링 조건에서 전력 소비를 크게 줄여 드론의 전체 비행 시간 연장- 통신 인터페이스: I²C 및 SPI 인터페이스 모두와 호환되어 대부분의 드론 비행 제어 시스템에 적합하며 강력한 하드웨어 이식성 제공

- 보조 기능: 칩 작동 온도 실시간 모니터링을 위한 내장 온도 센서; 소프트웨어 알고리즘과 함께 작동하여 온도 드리프트 보상 수행, 고도 및 저고도 간의 온도 차이 및 극한의 실외 온도로 인한 센서 정확도 편차 해결

- 물리적 특성: 초소형 패키징 및 경량 설계; 비행 제어 보드에서 과도한 공간을 차지하지 않으며 드론의 전체 페이로드 증가시키지 않음

III. UAV용 LSM6DS3의 주요 장점

1. 고정밀 자세 감지, 뛰어난 비행 안정성 제공

UAV 호버링, 순항 및 지점 간 비행의 핵심 과제는 공기 난류에 대응하기 위해 자세 편차를 실시간으로 보정하는 것입니다. LSM6DS3는 ST의 독점 MEMS 정밀 제조 공정을 사용하여 최소한의 제로 오프셋 드리프트와 낮은 노이즈를 달성하여 UAV의 피치, 롤 및 요 자세 데이터를 3축 모두에서 정밀하게 수집할 수 있습니다. 비행 제어 측의 Mahony 및 상보 필터링과 같은 자세 계산 알고리즘과 결합하면 안정적인 오일러 각 데이터를 신속하게 출력하여 밀리미터 수준의 자세 미세 조정을 가능하게 합니다. 이는 호버링 드리프트, 비행 흔들림 및 조향 지연과 같은 소비자 등급 드론의 일반적인 문제를 효과적으로 해결하여 비행 안정성을 크게 향상시킵니다.

고속 기동 비행 시나리오의 경우 1.6kHz의 초고 샘플링 속도로 데이터 지연 없이 순간적인 자세 변화를 실시간으로 포착하여 비행 제어 시스템이 신속하게 응답하고 자세 손실 또는 충돌 위험을 방지합니다.

2. 드론 비행 시간 연장을 위한 초저전력 소비 설계

비행 시간은 드론의 핵심 성능 지표이며, 비행 제어 센서 모듈은 전체 항공기의 주요 전력 소비원 중 하나입니다. 기존의 6축 IMU에 비해 LSM6DS3는 전력 소비를 크게 최적화했으며, 정상 작동 시 매우 낮은 전력 소비를 제공하며 동적 전력 전환도 지원합니다. 호버링 또는 정속 순항과 같은 정상 상태 비행 중에는 저전력 모드로 자동 전환되고, 기동 비행 또는 자세 조정 중에는 고성능 모드로 자동 전환되어 센싱 정확도와 전력 소비 제어의 균형을 맞춥니다. 동일한 사양의 센서에 비해 드론의 전체 전력 소비를 효과적으로 줄여 간접적으로 비행 시간을 연장합니다.

3. 높은 통합성과 경량성, 소형 드론 설계에 적합

소비자 등급 항공 촬영 드론, 미니 FPV 드론 및 소형 검사 드론은 전체 무게와 부피에 대한 엄격한 요구 사항을 가지며 페이로드 용량이 최소화됩니다. LSM6DS3는 주변 보조 센서 회로가 필요 없는 단일 칩, 6축 통합 솔루션을 채택합니다. 최소한의 하드웨어 아키텍처는 비행 제어 보드의 크기를 크게 줄이고 드론의 전체 무게를 줄여 경량 드론의 설계 요구 사항을 완전히 충족하는 동시에 하드웨어 개발 비용을 절감하고 PCB 레이아웃을 단순화합니다.

4. 강력한 환경 적응성 및 높은 신뢰성5. 지능형 캐싱으로 부하 감소 및 비행 제어 계산 효율 최적화

내장된 4KB FIFO 지능형 캐시는 LSM6DS3의 핵심 기능으로, 고속 드론 비행을 지원합니다. 고속 샘플링 및 고주파 자세 계산 중에 칩 내부에 대량의 센서 데이터를 캐싱할 수 있어 메인 제어 MCU가 실시간으로 데이터를 폴링하고 읽을 필요가 없습니다. 이는 MCU의 계산 및 통신 부하를 크게 줄여 컴퓨팅 성능 부족으로 인한 자세 계산 지연 및 비행 제어 손실과 같은 문제를 방지하여 전체 시스템의 안정성을 향상시킵니다.

IV. 드론에서 LSM6DS3의 일반적인 애플리케이션 시나리오 항공 촬영 드론은 비행 부드러움과 자세 안정성에 매우 높은 요구 사항을 가지며, 이는 촬영 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. LSM6DS3는 고정밀 6축 데이터 수집을 통해 안정적인 호버링, 사전 프로그래밍된 경로를 따른 정속 비행 및 부드러운 방향 전환을 가능하게 하여 비행 진동을 효과적으로 억제합니다. 이는 짐벌 안정화 및 고화질 항공 촬영을 지원하는 정확한 자세 데이터를 제공하여 흐릿하거나 흔들리거나 잘못 정렬된 영상 문제를 제거합니다. 동시에 저전력 소비는 항공 촬영 드론의 비행 시간을 효과적으로 연장하여 장시간 촬영 작업의 요구 사항을 충족합니다.

2. 소형 FPV 및 레이싱 드론

FPV 및 레이싱 드론은 고속, 고기동 비행을 위해 설계되었으며 센서 샘플링 속도 및 응답 감도에 대한 엄격한 요구 사항을 가집니다. LSM6DS3의 1.6kHz 초고 샘플링 속도와 ±2000dps의 매우 넓은 자이로스코프 범위는 고속 롤, 빠른 회전 및 저고도 기동과 같은 극한 기동을 정확하게 포착하여 비행 상태에 대한 실시간 피드백을 제공합니다. 비행 제어 알고리즘과 결합하면 초고속 자세 보정이 가능하여 기동 비행 중 안정성과 제어 정밀도를 보장하여 레이싱 및 곡예 비행 시나리오에 이상적입니다.

3. 경량 산업 검사 드론

송전선 검사, 지형 조사 및 도시 보안에 사용되는 경량 산업용 드론은 고정 지점에서 호버링하고, 정속으로 순항하며, 사전 프로그래밍된 경로를 따라 자율 비행할 수 있는 능력이 필요합니다. LSM6DS3의 안정적인 자세 감지 기능은 GPS/Beidou 포지셔닝 모듈과 결합될 때 고정밀 통합 네비게이션을 가능하게 합니다. GPS 신호를 사용할 수 없는 실내, 협곡 및 울창한 숲과 같은 복잡한 환경에서는 관성 센서 데이터에만 의존하여 단기 자세 추정을 수행하고 안정적인 비행을 유지하여 검사 작업의 연속성과 정확성을 보장합니다.

4. 교육 훈련 및 메이커 드론V. LSM6DS3 드론 비행 제어 시스템 구현 시 주요 고려 사항

1. 시스템 아키텍처 구성

LSM6DS3는 절대 헤딩 위치 지정 기능이 없는 6축 IMU이며, 장기간의 관성 적분은 헤딩 드리프트를 유발할 수 있습니다. 정밀한 헤딩 유지 및 자율 네비게이션이 필요한 드론 애플리케이션의 경우, LIS3MDL 3축 지자기계와 페어링하여 9축 센서 시스템을 구성하는 것이 좋습니다. 다중 센서 융합 알고리즘을 사용하여 헤딩 드리프트를 보정함으로써 고정밀, 전방향 자세 네비게이션을 가능하게 합니다. 기본 호버링 및 단거리 비행을 위해 설계된 보급형 드론의 경우, 하드웨어 비용을 줄이기 위해 LSM6DS3를 단독으로 사용할 수 있습니다.비행 제어 PCB를 설계할 때 LSM6DS3는 드론의 무게 중심에 위치해야 하며, 모터 및 ESC와 같이 고주파 진동 및 전자기 간섭을 생성하는 구성 요소에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 이는 센서 데이터에 대한 기계적 진동 및 전자기 간섭의 영향을 최소화하기 위함입니다. 또한 데이터 수집 정확도를 보장하기 위해 적절한 접지 및 차폐가 구현되어야 합니다.

3. 소프트웨어 알고리즘 적응

칩의 내장 온도 데이터를 활용하여 알고리즘에 온도 드리프트 보상을 통합하여 고온 및 저온 환경에서의 정확도 편차를 해결합니다. FIFO 버퍼 기능을 최대한 활용하고 배치 데이터 읽기 모드를 구성하여 MCU 부하를 줄입니다. 드론의 비행 시나리오에 따라 센서 범위를 전환합니다. 안정적인 비행에는 짧은 범위를 사용하여 정확도를 높이고, 기동 비행에는 긴 범위를 사용하여 감지 범위를 넓혀 정확도와 적응성 간의 균형을 달성합니다.ST LSM6DS3 iNEMO 6DoF 관성 측정 장치(IMU)는 높은 통합성, 높은 정밀도, 낮은 전력 소비, 높은 안정성 및 강력한 적응성과 같은 포괄적인 장점을 통해 다양한 소형 및 중형 드론의 비행 제어 요구 사항을 완벽하게 충족합니다. 기존 IMU 장치에 비해 샘플링 속도, 전력 소비 제어, 간섭 내성 및 하드웨어 통합 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 소비자 등급 드론의 경량성, 긴 배터리 수명 및 높은 안정성 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 경공업 드론의 정밀한 자세 제어 및 복잡한 환경 작동 요구 사항에도 적합합니다.

또한, ST의 포괄적인 기술 생태계, 광범위한 드라이버 소스 코드 및 안정적인 대량 생산 공급 능력을 바탕으로 LSM6DS3는 드론 비행 제어 시스템과 관련된 개발 장벽 및 대량 생산 위험을 크게 낮추어 드론 관성 자세 감지 분야에서 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 핵심 솔루션으로 자리매김하고 있습니다.