在消費(fèi)電子設(shè)備中集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理方案
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這場變革的推動(dòng)力量是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的消費(fèi)級慣性測量單元(IMU)。與六軸運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)相結(jié)合，這些器件可為手持消費(fèi)電子產(chǎn)品的導(dǎo)航和控制提供更簡單并符合直覺的用戶接口，從而解決這些復(fù)雜設(shè)備使很多用戶感到困惑的操作復(fù)雜性問題。
這種基于MEMS運(yùn)動(dòng)處理的六軸控制得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵器件是最近推出的體積更小、成本更低、性能更高、可與現(xiàn)有的三軸MEMS加速度計(jì)相結(jié)合三軸MEMS陀螺儀。
本文將給出一個(gè)六軸運(yùn)動(dòng)處理方案，并探討把這種技術(shù)整合到日用消費(fèi)電子系統(tǒng)中時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題。在使用六軸運(yùn)動(dòng)處理實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)時(shí)，確保符合本文給出的四個(gè)關(guān)鍵因素可提高整合效率，并使最終的用戶設(shè)備具有卓越的性能。
運(yùn)動(dòng)處理應(yīng)用
在電子娛樂展覽會(huì)(E3)上，三大游戲機(jī)品牌都展示了為其當(dāng)前或下一代系統(tǒng)開發(fā)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)型人機(jī)接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運(yùn)動(dòng)處理方案。一些游戲軟件開發(fā)商迅速推出了可利用六軸運(yùn)動(dòng)處理功能的新游戲：任天堂將在2009年7月推出Wii Sports游戲的續(xù)篇Wii Sports Resort。早期的產(chǎn)品評估顯示，使用運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的屏幕游戲控制對控制器運(yùn)動(dòng)有較高的跟蹤精度，并實(shí)現(xiàn)了1:1跟蹤。
由于消費(fèi)者已接受了三軸加速度計(jì)所提供的新特性，手機(jī)將是運(yùn)動(dòng)處理的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。蘋果公司的iPhone就是一個(gè)很好的例子。目前，蘋果在繼續(xù)開發(fā)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用，包括為其iPhone3.0增加在復(fù)制和粘貼過程中通過晃動(dòng)撤消操作的shake-to-undo(晃動(dòng)撤消)功能等。向未來的手機(jī)和其它手持消費(fèi)電子系統(tǒng)增加六軸運(yùn)動(dòng)處理可以以更高的精度、準(zhǔn)確度和反應(yīng)能力向軟件開發(fā)商提供手機(jī)在三維空間的絕對位置，進(jìn)而使之具有控制臺游戲性能。
這是一個(gè)快速變化的環(huán)境，在過去，帶有傳統(tǒng)的按鈕和滑輪的產(chǎn)品率先上市曾經(jīng)是設(shè)計(jì)取勝的關(guān)鍵；而今，成功將取決于誰可以創(chuàng)造出最有吸引力的用戶體驗(yàn)，因?yàn)橐揽苛S運(yùn)動(dòng)處理，復(fù)雜的控制和導(dǎo)航指令現(xiàn)在可用普通的手勢動(dòng)作來執(zhí)行。
運(yùn)動(dòng)處理方案
提供運(yùn)動(dòng)處理能力的關(guān)鍵技術(shù)，就是傳統(tǒng)上用于測量絕對旋轉(zhuǎn)速率的陀螺儀。振動(dòng)質(zhì)量陀螺儀利用科氏加速度在一個(gè)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)共振模式之間產(chǎn)生的能量傳遞，科氏加速度出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)參照坐標(biāo)系中，并與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，參見圖1。陀螺儀通過測量科氏加速度來獲得角速度(Ω)。
圖1：科氏加速度出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)參照平面中，與旋轉(zhuǎn)速率成正比
雖然加速度計(jì)可為簡單的方位和傾斜應(yīng)用提供基本的運(yùn)動(dòng)傳感，但在光學(xué)圖像穩(wěn)定(OIS)等更復(fù)雜的應(yīng)用中，卻存在一些影響加速度計(jì)操作和性能的限制。加速度計(jì)只能提供線性和向心加速度、重力和振動(dòng)的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線性運(yùn)動(dòng)信息的某個(gè)分量。在運(yùn)動(dòng)處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
為校正加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商使用磁力計(jì)來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能。這些器件確定手持設(shè)備相對于磁北方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通常用于調(diào)整地圖的顯示方向以使之與用戶當(dāng)前面對的方向相對應(yīng)。磁力計(jì)無力實(shí)現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)測量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場時(shí)(如存在揚(yáng)聲器、音頻耳機(jī))，甚至當(dāng)設(shè)備周圍存在鐵磁材料時(shí)，數(shù)據(jù)易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準(zhǔn)確、無延遲的旋轉(zhuǎn)測量，且不受磁、重力或其他環(huán)境因素的任何外力影響的慣性傳感器。
基于硅MEMS的技術(shù)不但帶來了可滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的每軸低于$1.00美元的行業(yè)成本目標(biāo)，另外，這種新型陀螺儀也滿足手機(jī)、游戲控制器、遙控器和便攜導(dǎo)航設(shè)備對封裝尺寸和旋轉(zhuǎn)傳感精度的要求。體積小、性能高、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計(jì)已經(jīng)使運(yùn)動(dòng)處理方案成為現(xiàn)實(shí)。
既需要陀螺儀，也需要加速度計(jì)
要滿足最終用戶的功能預(yù)期，需要獲得三軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和三軸直線運(yùn)動(dòng)的信息。一個(gè)常見的誤解是，要使手持系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計(jì)，即只需二選一。確實(shí)，已經(jīng)有業(yè)界分析師提出這樣的問題，“哪一個(gè)將在運(yùn)動(dòng)傳感器競賽中獲勝？”
事實(shí)上，要準(zhǔn)確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計(jì)。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測；單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動(dòng)但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時(shí)處理直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要使用陀螺儀和加速度計(jì)的方案。
在跟蹤傾斜和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)在設(shè)備不運(yùn)動(dòng)時(shí)提供更準(zhǔn)確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)測量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來把加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)測量。
圖2：傳感器融合算法把加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可覆蓋更寬的運(yùn)動(dòng)信號頻率范圍
在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)時(shí)需要考慮的因素
要在消費(fèi)電子應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)六軸運(yùn)動(dòng)處理功能，工程師面臨著選擇要么把來自不同廠商的陀螺儀和加速度計(jì)組裝起來、要么選擇由縱向集成的運(yùn)動(dòng)處理供應(yīng)商所提供的全集成方案。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)，在選擇運(yùn)動(dòng)處理時(shí)，應(yīng)考慮以下有關(guān)互操作性的因素：
1. 為最大限度地增大運(yùn)動(dòng)處理功能的價(jià)值，設(shè)計(jì)應(yīng)包含多種應(yīng)用，如GPS導(dǎo)航方位協(xié)助、移動(dòng)游戲和基于運(yùn)動(dòng)的用戶接口。這些應(yīng)用對陀螺數(shù)據(jù)采樣速率的要求各不相同，須使用針對特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的低通濾波器(LPF)來防止混疊以保證運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2. 由于要通過數(shù)學(xué)積分來確定陀螺儀的角度，必須有準(zhǔn)確的同步數(shù)據(jù)。
3. 對加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)同步采樣以確保高質(zhì)量的位置坐標(biāo)信息。
4. 應(yīng)保證陀螺儀的驅(qū)動(dòng)、傳感和諧波頻率相互間不干擾，也不與系統(tǒng)內(nèi)的任何其它頻率相互干擾。
通常在陀螺儀和加速度計(jì)的產(chǎn)品選型指南上可找到其核心規(guī)格參數(shù)，但有必要把傳感器指標(biāo)與其典型應(yīng)用結(jié)合起來。表1給出了各種模擬陀螺儀應(yīng)用對滿量程范圍(以度/秒(dps)為單位)和靈敏度(以毫伏/dps為單位)的要求。在運(yùn)動(dòng)處理方案中也常常使用數(shù)字加速度計(jì)，其滿量程范圍用額定g值給出，靈敏度以LSB/g給出。
表1：不同應(yīng)用的陀螺儀靈敏度和滿量程范圍的典型值 
由于噪聲和信號帶寬要求通常隨所進(jìn)行的動(dòng)作發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)一般要求具有靈活的濾波功能。主要使用的濾波技術(shù)可分成兩類：在模擬域，通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)抗混疊濾波器或RC(阻容)電路來完成；在數(shù)字域，在ADC之后由數(shù)字處理器完成。總是需要模擬濾波器以便防止產(chǎn)生混疊信號。
對于不同帶寬的運(yùn)動(dòng)處理應(yīng)用，最佳選擇是在模擬濾波的后面包含可編程數(shù)字濾波器。一些游戲應(yīng)用有不同的帶寬要求，例如，某些體育類游戲通常包含要求快速運(yùn)動(dòng)，因而要求更寬的帶寬，而對于其它需要繪圖或?qū)ζ聊徊藛芜x項(xiàng)做出選擇的游戲，則必須達(dá)到更高的精度，這時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇帶寬較窄和噪聲較低的濾波器。
具有運(yùn)動(dòng)處理功能的移動(dòng)設(shè)備可使多種應(yīng)用系統(tǒng)(如游戲機(jī)、
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