MEMS傳感器整合解決方案

　　對于自由落體檢測、屏幕旋轉(zhuǎn)、計步器、傾斜角度測量和運動檢測等應(yīng)用任務(wù)，僅一個加速度計即可勝任。然而，對于定位服務(wù)(LBS)、增強型運動控制游戲、行人航位推測導(dǎo)航、機器人平衡、空中鼠標(biāo)、人體跟蹤、無人飛行器等先進應(yīng)用，要想在測量精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間等方面取得更高的系統(tǒng)級性能，就需要把MEMS傳感器整合在一起，這個概念利用各種傳感器提供的不同的具有互補性的信息，運用智能技術(shù)整合這些信息，達到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的，實現(xiàn)令人震撼的新應(yīng)用。

　　為什么整合傳感器?

　　在設(shè)計一個使用多個MEMS傳感器的系統(tǒng)時，我們必須了解加速度計、陀螺儀、地磁計和壓力傳感器的優(yōu)缺點，這是很重要的。

　　傳感器整合解決方案可以解決6軸傳感器模塊的主要的運動檢測性能問題，6軸傳感器模塊由一個3軸加速度計和一個3軸陀螺儀或一個3軸磁力傳感器組成。

　　因為陀螺儀在運轉(zhuǎn)一段時間后會發(fā)生測量偏差，所以一個由加速度計和陀螺儀組成的6軸慣性傳感器模塊可能會丟失絕對方位信息，必須經(jīng)過重新校準(zhǔn)才能恢復(fù)精確的航向。

　　在有鐵材料的環(huán)境內(nèi)，由加速度計和磁力計組成的6軸傳感器模塊極易發(fā)生數(shù)據(jù)損壞問題。

　　由加速度計、陀螺儀和磁力計組成的9軸傳感器模塊可以徹底解決單一傳感器解決方案的測量值漂移問題，但是這些傳感器很容易受到磁干擾，因此，整合傳感器的算法需要修正磁干擾的影響。

　　傳感器整合的目的是把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用數(shù)字濾波算法對輸入數(shù)據(jù)進行相互補償，最后輸出精確的響應(yīng)快速的動態(tài)的(俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航)姿態(tài)測量結(jié)果。

　　互補型濾波器

　　機器人平衡、數(shù)碼相機圖像穩(wěn)定和3D鼠標(biāo)等應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部都有安裝了一個加速度計和一個陀螺儀。當(dāng)設(shè)備靜止時，加速度計可以進行精確的傾斜角度測量，當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)或運動時，加速度計跟不上快速的運動。陀螺儀可以輸出動態(tài)的角速率數(shù)據(jù)。如果只整合陀螺儀，雖然可以計算出角位移或傾斜角度，但是，在長時間輸出數(shù)據(jù)后，因為陀螺儀零偏漂移，這個角度將會變得不是很精確。

　　互補型濾波器是一個簡單的融合加速度計和陀螺儀或磁力計獲得精確的且反應(yīng)快速的俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航輸出信號的方式?；パa型濾波器由一個通用低通濾波器和一個高通濾波器組成，低通濾波器用于過濾加速度計信號;高通濾波器用于過濾陀螺儀信號?；パa型濾波器的原理比較容易理解，實現(xiàn)方式可以參考卡爾曼濾波器。下面是一個如何實現(xiàn)機器人自動平衡用互補型濾波器的示例。

　　如圖1所示，機器人用一個雙軸或三軸加速度計來測量靜態(tài)傾斜角 θa，用一個單軸或雙軸陀螺儀測量動態(tài)傾斜角θg。然后互補型濾波器整合這些測量數(shù)據(jù)，得到最終的傾斜角θ。微控制器利用這個信息和陀螺儀的角速率信息控制電機，使機器人保持平衡的姿態(tài)。