MEMS傳感器整合解決方案

　　對(duì)于自由落體檢測(cè)、屏幕旋轉(zhuǎn)、計(jì)步器、傾斜角度測(cè)量和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用任務(wù)，僅一個(gè)加速度計(jì)即可勝任。然而，對(duì)于定位服務(wù)(LBS)、增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制游戲、行人航位推測(cè)導(dǎo)航、機(jī)器人平衡、空中鼠標(biāo)、人體跟蹤、無(wú)人飛行器等先進(jìn)應(yīng)用，要想在測(cè)量精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等方面取得更高的系統(tǒng)級(jí)性能，就需要把MEMS傳感器整合在一起，這個(gè)概念利用各種傳感器提供的不同的具有互補(bǔ)性的信息，運(yùn)用智能技術(shù)整合這些信息，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的，實(shí)現(xiàn)令人震撼的新應(yīng)用。

　　為什么整合傳感器?

　　在設(shè)計(jì)一個(gè)使用多個(gè)MEMS傳感器的系統(tǒng)時(shí)，我們必須了解加速度計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)和壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)檢測(cè)性能問(wèn)題，6軸傳感器模塊由一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸陀螺儀或一個(gè)3軸磁力傳感器組成。

　　因?yàn)橥勇輧x在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生測(cè)量偏差，所以一個(gè)由加速度計(jì)和陀螺儀組成的6軸慣性傳感器模塊可能會(huì)丟失絕對(duì)方位信息，必須經(jīng)過(guò)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(jì)和磁力計(jì)組成的6軸傳感器模塊極易發(fā)生數(shù)據(jù)損壞問(wèn)題。

　　由加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)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(cè)量值漂移問(wèn)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(gè)傳感器的測(cè)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(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相互補(bǔ)償，最后輸出精確的響應(yīng)快速的動(dòng)態(tài)的(俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航)姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。

　　互補(bǔ)型濾波器

　　機(jī)器人平衡、數(shù)碼相機(jī)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(gè)加速度計(jì)和一個(gè)陀螺儀。當(dāng)設(shè)備靜止時(shí)，加速度計(jì)可以進(jìn)行精確的傾斜角度測(cè)量，當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)跟不上快速的運(yùn)動(dòng)。陀螺儀可以輸出動(dòng)態(tài)的角速率數(shù)據(jù)。如果只整合陀螺儀，雖然可以計(jì)算出角位移或傾斜角度，但是，在長(zhǎng)時(shí)間輸出數(shù)據(jù)后，因?yàn)橥勇輧x零偏漂移，這個(gè)角度將會(huì)變得不是很精確。

　　互補(bǔ)型濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的融合加速度計(jì)和陀螺儀或磁力計(jì)獲得精確的且反應(yīng)快速的俯仰/滾轉(zhuǎn)/偏航輸出信號(hào)的方式?；パa(bǔ)型濾波器由一個(gè)通用低通濾波器和一個(gè)高通濾波器組成，低通濾波器用于過(guò)濾加速度計(jì)信號(hào);高通濾波器用于過(guò)濾陀螺儀信號(hào)。互補(bǔ)型濾波器的原理比較容易理解，實(shí)現(xiàn)方式可以參考卡爾曼濾波器。下面是一個(gè)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)平衡用互補(bǔ)型濾波器的示例。

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