精密MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)新型導(dǎo)航應(yīng)用

簡(jiǎn)介

用于室內(nèi)導(dǎo)航以及處理復(fù)雜、具有環(huán)境挑戰(zhàn)性的情況時(shí)，傳感器可改善系統(tǒng)區(qū)分實(shí)際運(yùn)動(dòng)與異常運(yùn)動(dòng)的能力。

導(dǎo)航通常與汽車、飛機(jī)及船舶相關(guān)。然而，在工業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域，精密導(dǎo)航正日益廣泛地運(yùn)用于從工廠機(jī)械和手術(shù)機(jī)器人到應(yīng)急響應(yīng)跟蹤的各種應(yīng)用?，F(xiàn)有多種與定位、轉(zhuǎn)向和引導(dǎo)設(shè)備相關(guān)的方法，可用于獲得位置、方向和運(yùn)動(dòng)信息。事實(shí)上，許多應(yīng)用已普遍依賴于GPS(全球定位系統(tǒng))。然而，當(dāng)涉及到室內(nèi)導(dǎo)航以及處理更復(fù)雜、更具環(huán)境挑戰(zhàn)性的情況時(shí)，單靠GPS已無法滿足需求。

針對(duì)上述應(yīng)用，可使用各類傳感器來改善系統(tǒng)區(qū)分實(shí)際運(yùn)動(dòng)與異常運(yùn)動(dòng)的能力。某一傳感器處理特定導(dǎo)航問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(yīng)用特有的動(dòng)態(tài)特性。和處理所有復(fù)雜設(shè)計(jì)問題一樣，首先需要了解最終應(yīng)用的目標(biāo)和限制，由此可將各項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行排序，從而大致了解所需的傳感器，然后通過仔細(xì)的傳感器調(diào)理、集成和處理，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

了解導(dǎo)航問題

我們首先來打一個(gè)比方：假設(shè)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(huì)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(dá)該位置。您自身的處理器會(huì)結(jié)合使用各種感知來源，以及某些嵌入式的模式識(shí)別，如果運(yùn)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(gè)過程中，您所依賴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(dǎo)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(dá)目的地的過程中，您所采用的技術(shù)與車輛、手術(shù)儀器和機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員使用的技術(shù)并無不同。

將上述例子擴(kuò)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，無一能夠獨(dú)力滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。正如此前所提及的，由于障礙物會(huì)阻擋衛(wèi)星接收，GPS容易出錯(cuò)，要么降低總體精度，要么降低更新速率。另一種常見的導(dǎo)航輔助設(shè)備是磁力計(jì)，它需要暢通無阻地訪問地球磁場(chǎng)，雖然這一條件通?？梢詫?shí)現(xiàn)，但工業(yè)環(huán)境中還存在許多現(xiàn)場(chǎng)干擾，使得磁力計(jì)的可靠性不盡如人意，能間歇性保持可靠運(yùn)行已屬萬幸。光學(xué)傳感器會(huì)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(duì)參照(哪個(gè)方向是北?)。表1列出了各類主要導(dǎo)航傳感器的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和潛在問題。

表1. 傳感器的優(yōu)勢(shì)/局限

傳感器的選擇與處理

除了解決最簡(jiǎn)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的加速計(jì)和陀螺儀，有潛力完全彌補(bǔ)其它傳感器類型的缺點(diǎn)，因?yàn)榇祟悅鞲衅骺梢员苊庵T多干擾，而且不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施(無需衛(wèi)星、磁場(chǎng)、相機(jī)…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(yīng)用歷史)，功耗低，尺寸小，它在手機(jī)和視頻游戲領(lǐng)域的成功應(yīng)用充分表明，它具有很強(qiáng)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(dǎo)航問題。例如，精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航所需的性能水平通常比消費(fèi)電子設(shè)備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在大多數(shù)情況下，器件的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜(超過一個(gè)軸)，因此需要使用全慣性測(cè)量單元(IMU)。IMU可集成多達(dá)6自由度的慣性運(yùn)動(dòng)檢測(cè)——三個(gè)線性自由度、三個(gè)旋轉(zhuǎn)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(dǎo)航問題所需的集成度和性能，設(shè)計(jì)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(gè)或4個(gè)以上的額外自由度，包括三軸磁性檢測(cè)、單軸壓力(高度)檢測(cè)。

圖1. 6自由度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，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(duì)系統(tǒng)性能目標(biāo)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)人員可以在采用補(bǔ)償技術(shù)的同時(shí)合并多種類型的傳感器。例如，慣性測(cè)量單元輸出高度穩(wěn)定的線性和旋轉(zhuǎn)傳感器值，可對(duì)下列影響進(jìn)行補(bǔ)償：

• 溫度和電壓漂移

• 偏置、靈敏度和非線性度

• 振動(dòng)

• X、Y、Z軸對(duì)準(zhǔn)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(jì)來糾正該漂移。除了良好的傳感器設(shè)計(jì)外，導(dǎo)航應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)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(jì)和陀螺儀的應(yīng)用已證明，它們是良好的補(bǔ)充手段，有助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出功能完善的檢測(cè)系統(tǒng)。

圖2. 慣性測(cè)量單元捕捉復(fù)雜多軸運(yùn)動(dòng)

使用MEMS慣性傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)

在工業(yè)或醫(yī)療室內(nèi)環(huán)境中，沒有GPS信號(hào)，卻存在機(jī)械、電子方式引起的磁干擾，設(shè)計(jì)人員必須建立較為新穎的機(jī)械導(dǎo)航方法。很多新興應(yīng)用(如手術(shù)工具導(dǎo)航)所需的精度水平大大高于汽車導(dǎo)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(duì)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(dǎo)航。

圖3顯示了一種通用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，可用于車輛、飛機(jī)、手術(shù)工具等任何設(shè)備的導(dǎo)航。INS型號(hào)中包含了一個(gè)卡爾曼濾波器，該濾波器在阿波羅登月計(jì)劃中首次使用，目前廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信中的鎖相環(huán)。它提供的機(jī)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(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。

在手術(shù)應(yīng)用中，INS可用作導(dǎo)航輔助設(shè)備，以根據(jù)病人的獨(dú)特身體特征，將人造關(guān)節(jié)(例如膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié))進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。除了改善對(duì)準(zhǔn)效率以提高舒適度，并實(shí)現(xiàn)更快、更無創(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，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)已成為了純機(jī)械對(duì)準(zhǔn)的補(bǔ)充手段，然而，就和車輛導(dǎo)航中的GPS遮擋問題一樣，手術(shù)室中也有潛在的視線遮擋問題，會(huì)限制光學(xué)傳感器的精度。慣性導(dǎo)航的手術(shù)對(duì)準(zhǔn)工具不存在視線問題，同時(shí)還在尺寸、成本、自動(dòng)化方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，因此可為光學(xué)導(dǎo)航提供補(bǔ)充，甚至取而代之。

雖然解決導(dǎo)航問題的基本原理在不同應(yīng)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(huì)影響合適的傳感器類型的選擇，還會(huì)影響整體性能。

在消費(fèi)應(yīng)用強(qiáng)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(yīng)能力極強(qiáng)的傳感器正在不斷發(fā)展，這一趨勢(shì)在工業(yè)、儀器、醫(yī)療市場(chǎng)掀起了新一輪的MEMS慣性傳感器應(yīng)用浪潮。

圖3. 慣性導(dǎo)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