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、pingheng，shenzhichujiaodeng

，cainengdaodagaiweizhi。ninzishendechuliqihuijieheshiyonggezhongganzhilaiyuan，yijimouxieqianrushidemoshishibie
，ruguoyunqibuhao，ninkenenghaidezantingxialai
，xunqiuyixiewaibushuru
，jifangxiang。zaizhenggeguochengzhong
，ninsuoyilaidezishenchuanganqibujinxuyaozhugebaochijingque，haibixumoqipeihe
，biyaoshikejujuewudaoxinxi(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，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)，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。

 

suiranjiejuedaohangwentidejibenyuanlizaibutongyingyongzhongdoushiyizhide
，danbixuchongfenlejiezhongduanxitongdejutitexing。zhexietexingzuizhonghuiyingxiangheshidechuanganqileixingdexuanze
，haihuiyingxiangzhengtixingneng。

 

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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