針對上述應用，可使用各類傳感器laigaishanxitongqufenshijiyundongyuyichangyundongdenengli。mouyichuanganqichulitedingdaohangwentidenenglibujinqujueyugaichuanganqidexingnengshuiping，tongshiyequjueyugaiyingyongteyoudedongtaitexing。hechulisuoyoufuzashejiwentiyiyang
，shouxianxuyaolejiezuizhongyingyongdemubiaohexianzhi
，youcikejianggexiangguanjianxingnengcanshujinxingpaixu，congerdazhilejiesuoxudechuanganqi，ranhoutongguozaixidechuanganqitiaoli、集成和處理，對實際設計進行優化。

 

了解導航問題

 

我們首先來打一個比方：jiasheninzhengzaigongzuo，xianglaibeikafei，yushininqishenquzhaokafeihu。ruguoninzhiqianquguofangkafeihudedifang，nindenaohaizhongjiuhuixingchengyitiaoluxian。buguo，yantuninhaixuyikaogezhongganzhi，baokuoshijiao
、聽覺、平ping衡heng，甚shen至zhi觸chu覺jiao等deng
，才cai能neng到dao達da該gai位wei置zhi。您nin自zi身shen的de處chu理li器qi會hui結jie合he使shi用yong各ge種zhong感gan知zhi來lai源yuan，以yi及ji某mou些xie嵌qian入ru式shi的de模mo式shi識shi別bie，如ru果guo運yun氣qi不bu好hao，您nin可ke能neng還hai得de暫zan停ting下xia來lai，尋xun求qiu一yi些xie外wai部bu輸shu入ru
，即ji方fang向xiang。在zai整zheng個ge過guo程cheng中zhong，您nin所suo依yi賴lai的de自zi身shen傳chuan感gan器qi不bu僅jin需xu要yao逐zhu個ge保bao持chi精jing確que，還hai必bi須xu默mo契qi配pei合he，必bi要yao時shi可ke拒ju絕jue誤wu導dao信xin息xi(旁邊隔間飄來的咖啡味道)，並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係統的設計人員使用的技術並無不同。

 

將(jiang)上(shang)述(shu)例(li)子(zi)擴(kuo)展(zhan)到(dao)工(gong)業(ye)領(ling)域(yu)，會(hui)涉(she)及(ji)到(dao)多(duo)種(zhong)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)

，而(er)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)中(zhong)，無(wu)一(yi)能(neng)夠(gou)獨(du)力(li)滿(man)足(zu)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)。正(zheng)如(ru)此(ci)前(qian)所(suo)提(ti)及(ji)的(de)
，由(you)於(yu)障(zhang)礙(ai)物(wu)會(hui)阻(zu)擋(dang)衛(wei)星(xing)接(jie)收(shou)，GPS容(rong)易(yi)出(chu)錯(cuo)，要(yao)麼(me)降(jiang)低(di)總(zong)體(ti)精(jing)度(du)
，要(yao)麼(me)降(jiang)低(di)更(geng)新(xin)速(su)率(lv)。另(ling)一(yi)種(zhong)常(chang)見(jian)的(de)導(dao)航(hang)輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei)是(shi)磁(ci)力(li)計(ji)，它(ta)需(xu)要(yao)暢(chang)通(tong)無(wu)阻(zu)地(di)訪(fang)問(wen)地(di)球(qiu)磁(ci)場(chang)，雖(sui)然(ran)這(zhe)一(yi)條(tiao)件(jian)通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)，但(dan)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)還(hai)存(cun)在(zai)許(xu)多(duo)現(xian)場(chang)幹(gan)擾(rao)
，使(shi)得(de)磁(ci)力(li)計(ji)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)不(bu)盡(jin)如(ru)人(ren)意(yi)，能(neng)間(jian)歇(xie)性(xing)保(bao)持(chi)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)已(yi)屬(shu)萬(wan)幸(xing)。光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)會(hui)遇(yu)到(dao)視(shi)線(xian)遮(zhe)擋(dang)問(wen)題(ti)，雖(sui)然(ran)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)不(bu)受(shou)這(zhe)些(xie)幹(gan)擾(rao)影(ying)響(xiang)，但(dan)也(ye)有(you)某(mou)些(xie)自(zi)身(shen)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)
，例(li)如(ru)缺(que)乏(fa)絕(jue)對(dui)參(can)照(zhao)(哪個方向是北？)。表1列出了各類主要導航傳感器的相對優勢和潛在問題。

 

表1. 傳感器的優勢/局限

 

傳感器的選擇與處理

 

chulejiejuezuijiandandewentiwai，daduoshujiejuefangandouyikaoduozhongleixingdechuanganqilaitigonggezhongtiaojianxiasuoxudejingduyuxingneng。guanxingchuanganqi，lirujiyuweijidianxitong(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幹擾，而且不需要外部基礎設施(無需衛星、磁場、相機…隻需要慣性)。

 

MEMS慣性傳感器可靠性高(在汽車行業擁有20年的應用曆史)，gonghaodi，chicunxiao，tazaishoujiheshipinyouxilingyudechenggongyingyongchongfenbiaoming，tajuyouhenqiangdeshangyexiyinli。raner
，butongqijiandexingnengshuipingdabuxiangtong，shiheyouxideqijianbingbunengjiejuexianqiansuoshudegaoxingnengdaohangwenti。liru，jingmigongyeheyiliaodaohangsuoxudexingnengshuipingtongchangbixiaofeidianzishebeisuoyongMEMS傳感器的性能水平高出一個數量級。

 

在大多數情況下
，器件的運動較為複雜(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具有解決大多數工業導航問題所需的集成度和性能，設計緊湊
，適用於眾多工業儀表及車輛(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

 

圖2. 慣性測量單元捕捉複雜多軸運動

 

正(zheng)如(ru)此(ci)前(qian)所(suo)描(miao)述(shu)的(de)
，任(ren)何(he)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)有(you)其(qi)局(ju)限(xian)性(xing)，如(ru)果(guo)這(zhe)些(xie)局(ju)限(xian)性(xing)對(dui)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)目(mu)標(biao)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)在(zai)采(cai)用(yong)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)的(de)同(tong)時(shi)合(he)並(bing)多(duo)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。例(li)如(ru)，慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)單(dan)元(yuan)輸(shu)出(chu)高(gao)度(du)穩(wen)定(ding)的(de)線(xian)性(xing)和(he)旋(xuan)轉(zhuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)值(zhi)，可(ke)對(dui)下(xia)列(lie)影(ying)響(xiang)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)：

 

• 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在於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係統。

 

使用MEMS慣性傳感器進行設計

 

在工業或醫療室內環境中，沒有GPS信號

，卻存在機械、電子方式引起的磁幹擾
，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(suo)需(xu)的(de)精(jing)度(du)水(shui)平(ping)大(da)大(da)高(gao)於(yu)汽(qi)車(che)導(dao)航(hang)等(deng)要(yao)求(qiu)。在(zai)這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，可(ke)選(xuan)用(yong)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)，此(ci)類(lei)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)在(zai)視(shi)線(xian)遮(zhe)擋(dang)或(huo)存(cun)在(zai)對(dui)非(fei)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)的(de)其(qi)它(ta)幹(gan)擾(rao)源(yuan)時(shi)，提(ti)供(gong)保(bao)持(chi)精(jing)度(du)所(suo)需(xu)的(de)航(hang)位(wei)推(tui)算(suan)導(dao)航(hang)。

 

圖3顯示了一種通用慣性導航係統(INS)，可用於車輛、飛機、手術工具等任何設備的導航。INSxinghaozhongbaohanleyigekaermanlvboqi，gailvboqizaieboluodengyuejihuazhongshoucishiyong，muqianguangfanyingyongyuyidongtongxinzhongdesuoxianghuan。tatigongdejizhikehebingduogeyouyoudian、但並不完美的傳感器
，從而最有效地估算出位置、方向和整體運動動力學特性。

 

圖3. 慣性導航係統
，在卡爾曼濾波器的輔助下合並多種類型的傳感器

 

在手術應用中，INS可用作導航輔助設備

，以根據病人的獨特身體特征

，將人造關節(例如膝關節或髖關節)進行對準。除了改善對準效率以提高舒適度
，並實現更快、更無創的手術之外，使用正確的傳感器還有助於防止手顫、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GPSzhedangwentiyiyang
，shoushushizhongyeyouqianzaideshixianzhedangwenti，huixianzhiguangxuechuanganqidejingdu。guanxingdaohangdeshoushuduizhungongjubucunzaishixianwenti，tongshihaizaichicun、成本
、自動化方麵具有潛在優勢，因此可為光學導航提供補充，甚至取而代之。

 

雖(sui)然(ran)解(jie)決(jue)導(dao)航(hang)問(wen)題(ti)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)在(zai)不(bu)同(tong)應(ying)用(yong)中(zhong)都(dou)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)

，但(dan)必(bi)須(xu)充(chong)分(fen)了(le)解(jie)終(zhong)端(duan)係(xi)統(tong)的(de)具(ju)體(ti)特(te)性(xing)。這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)最(zui)終(zhong)會(hui)影(ying)響(xiang)合(he)適(shi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)類(lei)型(xing)的(de)選(xuan)擇(ze)，還(hai)會(hui)影(ying)響(xiang)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)。

 

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，某些傳感器開發人員同樣高度重視可用於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、環境適應能力極強的傳感器正在不斷發展，這一趨勢在工業
、儀器
、醫療市場掀起了新一輪的MEMS慣性傳感器應用浪潮。

 

 

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