針對上述應用，可使用各類傳感器來lai改gai善shan係xi統tong區qu分fen實shi際ji運yun動dong與yu異yi常chang運yun動dong的de能neng力li。某mou一yi傳chuan感gan器qi處chu理li特te定ding導dao航hang問wen題ti的de能neng力li不bu僅jin取qu決jue於yu該gai傳chuan感gan器qi的de性xing能neng水shui平ping
，同tong時shi也ye取qu決jue於yu該gai應ying用yong特te有you的de動dong態tai特te性xing。和he處chu理li所suo有you複fu雜za設she計ji問wen題ti一yi樣yang，首shou先xian需xu要yao了le解jie最zui終zhong應ying用yong的de目mu標biao和he限xian製zhi，由you此ci可ke將jiang各ge項xiang關guan鍵jian性xing能neng參can數shu進jin行xing排pai序xu，從cong而er大da致zhi了le解jie所suo需xu的de傳chuan感gan器qi，然ran後hou通tong過guo仔zai細xi的de傳chuan感gan器qi調tiao理li
、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。

 

jiangshangshulizikuozhandaogongyelingyu
，huishejidaoduozhongchuanganjishu，erzhexiejishuzhong
，wuyinenggoudulimanzudaduoshuyingyongxuqiu。zhengruciqiansuotijide，youyuzhangaiwuhuizudangweixingjieshou，GPSrongyichucuo，yaomejiangdizongtijingdu，yaomejiangdigengxinsulv。lingyizhongchangjiandedaohangfuzhushebeishiciliji

，taxuyaochangtongwuzudifangwendiqiucichang，suiranzheyitiaojiantongchangkeyishixian
，dangongyehuanjingzhonghaicunzaixuduoxianchangganrao，shidecilijidekekaoxingbujinrurenyi
，nengjianxiexingbaochikekaoyunxingyishuwanxing。guangxuechuanganqihuiyudaoshixianzhedangwenti，suiranguanxingchuanganqitongchangbushouzhexieganraoyingxiang
，danyeyoumouxiezishendejuxianxing，liruquefajueduicanzhao(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

 

除(chu)了(le)解(jie)決(jue)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)問(wen)題(ti)外(wai)
，大(da)多(duo)數(shu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)都(dou)依(yi)靠(kao)多(duo)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)提(ti)供(gong)各(ge)種(zhong)條(tiao)件(jian)下(xia)所(suo)需(xu)的(de)精(jing)度(du)與(yu)性(xing)能(neng)。慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，例(li)如(ru)基(ji)於(yu)微(wei)機(ji)電(dian)係(xi)統(tong)(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)，功gong耗hao低di，尺chi寸cun小xiao，它ta在zai手shou機ji和he視shi頻pin遊you戲xi領ling域yu的de成cheng功gong應ying用yong充chong分fen表biao明ming，它ta具ju有you很hen強qiang的de商shang業ye吸xi引yin力li。然ran而er，不bu同tong器qi件jian的de性xing能neng水shui平ping大da不bu相xiang同tong

，適shi合he遊you戲xi的de器qi件jian並bing不bu能neng解jie決jue先xian前qian所suo述shu的de高gao性xing能neng導dao航hang問wen題ti。例li如ru，精jing密mi工gong業ye和he醫yi療liao導dao航hang所suo需xu的de性xing能neng水shui平ping通tong常chang比bi消xiao費fei電dian子zi設she備bei所suo用yongMEMS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。INS型(xing)號(hao)中(zhong)包(bao)含(han)了(le)一(yi)個(ge)卡(ka)爾(er)曼(man)濾(lv)波(bo)器(qi)，該(gai)濾(lv)波(bo)器(qi)在(zai)阿(e)波(bo)羅(luo)登(deng)月(yue)計(ji)劃(hua)中(zhong)首(shou)次(ci)使(shi)用(yong)，目(mu)前(qian)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)移(yi)動(dong)通(tong)信(xin)中(zhong)的(de)鎖(suo)相(xiang)環(huan)。它(ta)提(ti)供(gong)的(de)機(ji)製(zhi)可(ke)合(he)並(bing)多(duo)個(ge)有(you)優(you)點(dian)、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GPS遮zhe擋dang問wen題ti一yi樣yang，手shou術shu室shi中zhong也ye有you潛qian在zai的de視shi線xian遮zhe擋dang問wen題ti，會hui限xian製zhi光guang學xue傳chuan感gan器qi的de精jing度du。慣guan性xing導dao航hang的de手shou術shu對dui準zhun工gong具ju不bu存cun在zai視shi線xian問wen題ti，同tong時shi還hai在zai尺chi寸cun、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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