精密MEMS傳感器實現(xiàn)新型導航應用

簡介

用于室內導航以及處理復雜、具有環(huán)境挑戰(zhàn)性的情況時，傳感器可改善系統(tǒng)區(qū)分實際運動與異常運動的能力。

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

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

了解導航問題

我們首先來打一個比方：假設您正在工作，想來杯咖啡，于是您起身去找咖啡壺。如果您之前去過放咖啡壺的地方，您的腦海中就會形成一條路線。不過，沿途您還需依靠各種感知，包括視覺、聽覺、平衡，甚至觸覺等，才能到達該位置。您自身的處理器會結合使用各種感知來源，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，尋求一些外部輸入，即方向。在整個過程中，您所依賴的自身傳感器不僅需要逐個保持精確，還必須默契配合，必要時可拒絕誤導信息(旁邊隔間飄來的咖啡味道)，并尋求其它傳感器的幫助。在抵達目的地的過程中，您所采用的技術與車輛、手術儀器和機器人導航系統(tǒng)的設計人員使用的技術并無不同。

將上述例子擴展到工業(yè)領域，會涉及到多種傳感技術，而這些技術中，無一能夠獨力滿足大多數(shù)應用需求。正如此前所提及的，由于障礙物會阻擋衛(wèi)星接收，GPS容易出錯，要么降低總體精度，要么降低更新速率。另一種常見的導航輔助設備是磁力計，它需要暢通無阻地訪問地球磁場，雖然這一條件通?？梢詫崿F(xiàn)，但工業(yè)環(huán)境中還存在許多現(xiàn)場干擾，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幸。光學傳感器會遇到視線遮擋問題，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(哪個方向是北?)。表1列出了各類主要導航傳感器的相對優(yōu)勢和潛在問題。

表1. 傳感器的優(yōu)勢/局限

傳感器的選擇與處理

除了解決最簡單的問題外，大多數(shù)解決方案都依靠多種類型的傳感器來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(tǒng)(MEMS)的加速計和陀螺儀，有潛力完全彌補其它傳感器類型的缺點，因為此類傳感器可以避免諸多干擾，而且不需要外部基礎設施(無需衛(wèi)星、磁場、相機…只需要慣性)。

MEMS慣性傳感器可靠性高(在汽車行業(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題。例如，精密工業(yè)和醫(yī)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數(shù)量級。

在大多數(shù)情況下，器件的運動較為復雜(超過一個軸)，因此需要使用全慣性測量單元(IMU)。IMU可集成多達6自由度的慣性運動檢測——三個線性自由度、三個旋轉自由度(見圖2)。

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

圖1. 6自由度運動檢測，采用11 mm × 22 mm ×33 mm封裝

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

• 溫度和電壓漂移

• 偏置、靈敏度和非線性度

• 振動

• X、Y、Z軸對準誤差

慣性傳感器的質量不同，漂移度也不同，有時也可使用GPS或磁力計來糾正該漂移。除了良好的傳感器設計外，導航應用的核心挑戰(zhàn)在于確定要依靠哪些傳感器以及何時依靠這些傳感器。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(tǒng)。

圖2. 慣性測量單元捕捉復雜多軸運動

使用MEMS慣性傳感器進行設計

在工業(yè)或醫(yī)療室內環(huán)境中，沒有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(如手術工具導航)所需的精度水平大大高于汽車導航等要求。在這些情況下，可選用慣性傳感器，此類傳感器可在視線遮擋或存在對非慣性傳感器有不利影響的其它干擾源時，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(tǒng)(INS)，可用于車輛、飛機、手術工具等任何設備的導航。INS型號中包含了一個卡爾曼濾波器，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通信中的鎖相環(huán)。它提供的機制可合并多個有優(yōu)點、但并不完美的傳感器，從而最有效地估算出位置、方向和整體運動動力學特性。

在手術應用中，INS可用作導航輔助設備，以根據(jù)病人的獨特身體特征，將人造關節(jié)(例如膝關節(jié)或髖關節(jié))進行對準。除了改善對準效率以提高舒適度，并實現(xiàn)更快、更無創(chuàng)的手術之外，使用正確的傳感器還有助于防止手顫、減輕疲勞。近年來，光學對準已成為了純機械對準的補充手段，然而，就和車輛導航中的GPS遮擋問題一樣，手術室中也有潛在的視線遮擋問題，會限制光學傳感器的精度。慣性導航的手術對準工具不存在視線問題，同時還在尺寸、成本、自動化方面具有潛在優(yōu)勢，因此可為光學導航提供補充，甚至取而代之。

雖然解決導航問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(tǒng)的具體特性。這些特性最終會影響合適的傳感器類型的選擇，還會影響整體性能。

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，某些傳感器開發(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(yī)療市場掀起了新一輪的MEMS慣性傳感器應用浪潮。

圖3. 慣性導航系統(tǒng)，在卡爾曼濾波器的輔助下合并多種類型的傳感器