精密MEMS傳感器實(shí)現新型導航應用

簡(jiǎn)介

用于室內導航以及處理復雜、具有環(huán)境挑戰性的情況時(shí)，傳感器可改善系統區分實(shí)際運動(dòng)與異常運動(dòng)的能力。

導航通常與汽車(chē)、飛機及船舶相關(guān)。然而，在工業(yè)和醫療保健領(lǐng)域，精密導航正日益廣泛地運用于從工廠(chǎng)機械和手術(shù)機器人到應急響應跟蹤的各種應用?，F有多種與定位、轉向和引導設備相關(guān)的方法，可用于獲得位置、方向和運動(dòng)信息。事實(shí)上，許多應用已普遍依賴(lài)于GPS(全球定位系統)。然而，當涉及到室內導航以及處理更復雜、更具環(huán)境挑戰性的情況時(shí)，單靠GPS已無(wú)法滿(mǎn)足需求。

針對上述應用，可使用各類(lèi)傳感器來(lái)改善系統區分實(shí)際運動(dòng)與異常運動(dòng)的能力。某一傳感器處理特定導航問(wèn)題的能力不僅取決于該傳感器的性能水平，同時(shí)也取決于該應用特有的動(dòng)態(tài)特性。和處理所有復雜設計問(wèn)題一樣，首先需要了解最終應用的目標和限制，由此可將各項關(guān)鍵性能參數進(jìn)行排序，從而大致了解所需的傳感器，然后通過(guò)仔細的傳感器調理、集成和處理，對實(shí)際設計進(jìn)行優(yōu)化。

了解導航問(wèn)題

我們首先來(lái)打一個(gè)比方：假設您正在工作，想來(lái)杯咖啡，于是您起身去找咖啡壺。如果您之前去過(guò)放咖啡壺的地方，您的腦海中就會(huì )形成一條路線(xiàn)。不過(guò)，沿途您還需依靠各種感知，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、平衡，甚至觸覺(jué)等，才能到達該位置。您自身的處理器會(huì )結合使用各種感知來(lái)源，以及某些嵌入式的模式識別，如果運氣不好，您可能還得暫停下來(lái)，尋求一些外部輸入，即方向。在整個(gè)過(guò)程中，您所依賴(lài)的自身傳感器不僅需要逐個(gè)保持精確，還必須默契配合，必要時(shí)可拒絕誤導信息(旁邊隔間飄來(lái)的咖啡味道)，并尋求其它傳感器的幫助。在抵達目的地的過(guò)程中，您所采用的技術(shù)與車(chē)輛、手術(shù)儀器和機器人導航系統的設計人員使用的技術(shù)并無(wú)不同。

將上述例子擴展到工業(yè)領(lǐng)域，會(huì )涉及到多種傳感技術(shù)，而這些技術(shù)中，無(wú)一能夠獨力滿(mǎn)足大多數應用需求。正如此前所提及的，由于障礙物會(huì )阻擋衛星接收，GPS容易出錯，要么降低總體精度，要么降低更新速率。另一種常見(jiàn)的導航輔助設備是磁力計，它需要暢通無(wú)阻地訪(fǎng)問(wèn)地球磁場(chǎng)，雖然這一條件通?？梢詫?shí)現，但工業(yè)環(huán)境中還存在許多現場(chǎng)干擾，使得磁力計的可靠性不盡如人意，能間歇性保持可靠運行已屬萬(wàn)幸。光學(xué)傳感器會(huì )遇到視線(xiàn)遮擋問(wèn)題，雖然慣性傳感器通常不受這些干擾影響，但也有某些自身的局限性，例如缺乏絕對參照(哪個(gè)方向是北?)。表1列出了各類(lèi)主要導航傳感器的相對優(yōu)勢和潛在問(wèn)題。

表1. 傳感器的優(yōu)勢/局限

傳感器的選擇與處理

除了解決最簡(jiǎn)單的問(wèn)題外，大多數解決方案都依靠多種類(lèi)型的傳感器來(lái)提供各種條件下所需的精度與性能。慣性傳感器，例如基于微機電系統(MEMS)的加速計和陀螺儀，有潛力完全彌補其它傳感器類(lèi)型的缺點(diǎn)，因為此類(lèi)傳感器可以避免諸多干擾，而且不需要外部基礎設施(無(wú)需衛星、磁場(chǎng)、相機…只需要慣性)。

MEMS慣性傳感器可靠性高(在汽車(chē)行業(yè)擁有20年的應用歷史)，功耗低，尺寸小，它在手機和視頻游戲領(lǐng)域的成功應用充分表明，它具有很強的商業(yè)吸引力。然而，不同器件的性能水平大不相同，適合游戲的器件并不能解決先前所述的高性能導航問(wèn)題。例如，精密工業(yè)和醫療導航所需的性能水平通常比消費電子設備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個(gè)數量級。

在大多數情況下，器件的運動(dòng)較為復雜(超過(guò)一個(gè)軸)，因此需要使用全慣性測量單元(IMU)。IMU可集成多達6自由度的慣性運動(dòng)檢測——三個(gè)線(xiàn)性自由度、三個(gè)旋轉自由度(見(jiàn)圖2)。

例如，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU具有解決大多數工業(yè)導航問(wèn)題所需的集成度和性能，設計緊湊，適用于眾多工業(yè)儀表及車(chē)輛(見(jiàn)圖1)。很多情況下還能集成4個(gè)或4個(gè)以上的額外自由度，包括三軸磁性檢測、單軸壓力(高度)檢測。

圖1. 6自由度運動(dòng)檢測，采用11 mm × 22 mm ×33 mm封裝

正如此前所描述的，任何類(lèi)型的傳感器都有其局限性，如果這些局限性對系統性能目標產(chǎn)生影響，設計人員可以在采用補償技術(shù)的同時(shí)合并多種類(lèi)型的傳感器。例如，慣性測量單元輸出高度穩定的線(xiàn)性和旋轉傳感器值，可對下列影響進(jìn)行補償：

• 溫度和電壓漂移

• 偏置、靈敏度和非線(xiàn)性度

• 振動(dòng)

• X、Y、Z軸對準誤差

慣性傳感器的質(zhì)量不同，漂移度也不同，有時(shí)也可使用GPS或磁力計來(lái)糾正該漂移。除了良好的傳感器設計外，導航應用的核心挑戰在于確定要依靠哪些傳感器以及何時(shí)依靠這些傳感器。慣性MEMS加速計和陀螺儀的應用已證明，它們是良好的補充手段，有助設計人員設計出功能完善的檢測系統。

圖2. 慣性測量單元捕捉復雜多軸運動(dòng)

使用MEMS慣性傳感器進(jìn)行設計

在工業(yè)或醫療室內環(huán)境中，沒(méi)有GPS信號，卻存在機械、電子方式引起的磁干擾，設計人員必須建立較為新穎的機械導航方法。很多新興應用(如手術(shù)工具導航)所需的精度水平大大高于汽車(chē)導航等要求。在這些情況下，可選用慣性傳感器，此類(lèi)傳感器可在視線(xiàn)遮擋或存在對非慣性傳感器有不利影響的其它干擾源時(shí)，提供保持精度所需的航位推算導航。

圖3顯示了一種通用慣性導航系統(INS)，可用于車(chē)輛、飛機、手術(shù)工具等任何設備的導航。INS型號中包含了一個(gè)卡爾曼濾波器，該濾波器在阿波羅登月計劃中首次使用，目前廣泛應用于移動(dòng)通信中的鎖相環(huán)。它提供的機制可合并多個(gè)有優(yōu)點(diǎn)、但并不完美的傳感器，從而最有效地估算出位置、方向和整體運動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。

在手術(shù)應用中，INS可用作導航輔助設備，以根據病人的獨特身體特征，將人造關(guān)節(例如膝關(guān)節或髖關(guān)節)進(jìn)行對準。除了改善對準效率以提高舒適度，并實(shí)現更快、更無(wú)創(chuàng )的手術(shù)之外，使用正確的傳感器還有助于防止手顫、減輕疲勞。近年來(lái)，光學(xué)對準已成為了純機械對準的補充手段，然而，就和車(chē)輛導航中的GPS遮擋問(wèn)題一樣，手術(shù)室中也有潛在的視線(xiàn)遮擋問(wèn)題，會(huì )限制光學(xué)傳感器的精度。慣性導航的手術(shù)對準工具不存在視線(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)還在尺寸、成本、自動(dòng)化方面具有潛在優(yōu)勢，因此可為光學(xué)導航提供補充，甚至取而代之。

雖然解決導航問(wèn)題的基本原理在不同應用中都是一致的，但必須充分了解終端系統的具體特性。這些特性最終會(huì )影響合適的傳感器類(lèi)型的選擇，還會(huì )影響整體性能。

在消費應用強烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性傳感器的同時(shí)，某些傳感器開(kāi)發(fā)人員同樣高度重視可用于各種條件下的高精度、低功耗、高性能緊湊型傳感器。這些高精度、環(huán)境適應能力極強的傳感器正在不斷發(fā)展，這一趨勢在工業(yè)、儀器、醫療市場(chǎng)掀起了新一輪的MEMS慣性傳感器應用浪潮。

圖3. 慣性導航系統，在卡爾曼濾波器的輔助下合并多種類(lèi)型的傳感器