MEMS傳感器彌補(bǔ)GPS的不足
更新時(shí)間：2019-07-08 10:28:00點(diǎn)擊次數(shù)：2953次
精密導(dǎo)航功能通常易與汽車(chē)、飛機(jī)、船舶聯(lián)系在一起，但事實(shí)上，在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，導(dǎo)航功能同樣得到廣泛應(yīng)用，從工廠機(jī)械和手術(shù)機(jī)器人到應(yīng)急響應(yīng)跟蹤。
目前有許多方案可以取得指向、駕駛、導(dǎo)向設(shè)備的位置、方向和運(yùn)動(dòng)等信息。實(shí)際上，許多應(yīng)用依賴全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的情況越來(lái)越普遍。但是，在面臨室內(nèi)導(dǎo)航以及在處理更復(fù)雜并與環(huán)境相關(guān)的挑戰(zhàn)時(shí)，只靠GPS是不夠的。對(duì)于此類應(yīng)用，可以采用不同類型的傳感器來(lái)改善系統(tǒng)從異常動(dòng)作判斷實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力。用以處理特殊導(dǎo)航問(wèn)題的特定傳感器，其能力不僅取決于傳感器的性能，同時(shí)也要依據(jù)應(yīng)用的獨(dú)特動(dòng)態(tài)特性而定。
大多數(shù)應(yīng)用包含不同的檢測(cè)技術(shù)，其中沒(méi)有任何一項(xiàng)技術(shù)能夠獨(dú)立地滿足應(yīng)用要求。對(duì)于GPS，障礙物會(huì)阻斷衛(wèi)星接收，因而容易發(fā)生錯(cuò)誤。另一種常見(jiàn)的導(dǎo)航輔助設(shè)備是地磁儀，此裝置需要清晰地接觸地球的磁場(chǎng)，然而在工業(yè)環(huán)境中會(huì)有許多磁場(chǎng)干擾，造成地磁儀的可靠性無(wú)法始終處于最佳狀態(tài)。光學(xué)傳感器會(huì)受到視線阻礙的影響，慣性傳感器一般來(lái)說(shuō)不會(huì)受到這些干擾，但其自身也存在一些限制，例如缺乏絕對(duì)參考點(diǎn)(哪里是北方?)。
傳感器選擇
汽車(chē)行業(yè)20年的應(yīng)用歷史證明，MEMS慣性傳感器具有高可靠性，同時(shí)具有低功耗、小尺寸和低成本的優(yōu)勢(shì)，在手機(jī)和視頻游戲中的成功應(yīng)用說(shuō)明它在商業(yè)上也極具吸引力。然而，現(xiàn)有的性能水平卻存在著很大的差異，適合游戲的器件并不能處理高性能導(dǎo)航問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，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)。
大多數(shù)情況下，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜(多軸運(yùn)動(dòng))，因此需要完整的慣性測(cè)量單元(IMU)，可整合多達(dá)六個(gè)自由度的慣性移動(dòng)(三組線性與三組旋轉(zhuǎn))。
舉例來(lái)說(shuō)，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU能夠適應(yīng)許多工業(yè)儀器和汽車(chē)應(yīng)用。許多情況下，可以整合四個(gè)或更多的額外自由度，包括三軸磁力檢測(cè)和單軸壓力(海拔高度)檢測(cè)。
慣性測(cè)量單元可以輸出高度穩(wěn)定的線性與旋轉(zhuǎn)傳感器值，這些值必須針對(duì)下列影響因素進(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，慣性傳感器會(huì)因?yàn)槠淦焚|(zhì)而具有不同的漂移度，設(shè)計(jì)人員可以利用GPS或是地磁儀來(lái)校正此漂移。除了良好的傳感器設(shè)計(jì)以外，導(dǎo)航應(yīng)用最主要的挑戰(zhàn)則是決定不同時(shí)候以哪些傳感器為準(zhǔn)。慣性MEMS加速度計(jì)和陀螺儀已經(jīng)證明，它對(duì)于設(shè)計(jì)人員完成一套完整功能的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有良好的輔助作用。
在GPS信號(hào)會(huì)中斷以及機(jī)械和電子設(shè)備產(chǎn)生磁力干擾的室內(nèi)工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)非傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)機(jī)械導(dǎo)引。許多新興應(yīng)用，例如手術(shù)工具導(dǎo)航等，所需要的精度顯著高于汽車(chē)導(dǎo)航。在所有這些情況中，慣性傳感器都是一個(gè)選項(xiàng)，能夠在視線受阻或是其他干擾來(lái)源會(huì)對(duì)非慣性傳感器造成不利影響時(shí)，提供維持精確度所需的航位推算指引。
一個(gè)通用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，可以用來(lái)導(dǎo)引從手術(shù)工具到汽車(chē)、飛機(jī)等的任何東西。INS模型包括一個(gè)卡爾曼濾波器，這種濾波器首先用于阿波羅登月任務(wù)，目前則已普遍應(yīng)用于移動(dòng)通信的鎖相環(huán)中，以提供多個(gè)良好但不完美的傳感器相結(jié)合的機(jī)制，從而獲得關(guān)于位置、方向和總體動(dòng)態(tài)特性的最佳估計(jì)結(jié)果。
在手術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，INS可以起到輔助導(dǎo)航的作用，依據(jù)病患的個(gè)體特點(diǎn)，幫助對(duì)準(zhǔn)人工關(guān)節(jié)，例如膝蓋或髖關(guān)節(jié)等。除了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的對(duì)準(zhǔn)(以提高舒適度)以及更快速、侵入較少的手術(shù)之外，采用正確的傳感器也有助于消除手部顫動(dòng)和疲勞的問(wèn)題。
近年來(lái)，純粹的機(jī)械式對(duì)準(zhǔn)通過(guò)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)來(lái)輔助補(bǔ)充，但正如阻礙汽車(chē)導(dǎo)航的GPS信號(hào)阻斷問(wèn)題一樣，手術(shù)室中潛在的視線阻礙會(huì)限制光學(xué)傳感器的精度。以慣性導(dǎo)引的手術(shù)對(duì)準(zhǔn)工具則能夠輔助補(bǔ)充(甚至取代)光學(xué)導(dǎo)引，不會(huì)有視線方面的問(wèn)題，同時(shí)能夠提供尺寸、成本和自動(dòng)化方面的潛在優(yōu)勢(shì)。
在消費(fèi)應(yīng)用極力追求小尺寸、低功耗、多軸慣性傳感器的同時(shí)，某些傳感器開(kāi)發(fā)人員同樣重視開(kāi)發(fā)緊湊、高精度、低功耗、高性能的傳感器。這些具有良好環(huán)境適應(yīng)性的傳感器，正在工業(yè)、儀器儀表及醫(yī)療市場(chǎng)掀起一波采用MEMS慣性傳感器的浪潮
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