MEMS传感器对GPS定位不足的补充     DATE: 2017-05-10 09:04

精密导航功能通常易与汽车、飞机、船舶联系在一起,但事实上,在工业和医疗领域,导航功能同样得到广泛应用,从工厂机械和手术机器人到应急响应跟踪。
导航问题

目前有许多方案可以取得指向、驾驶、导向设备的位置、方向和运动等信息。实际上,许多应用依赖全球卫星定位系统(GPS)的情况越来越普遍。但是,在面临室内导航以及在处理更复杂并与环境相关的挑战时,只靠GPS是不够的。

对于此类应用,可以采用不同类型的传感器来改善系统从异常动作判断实际运动的能力。用以处理特殊导航问题的特定传感器,其能力不仅取决于传感器的性能,同时也要依据应用的独特动态特性而定。

大多数应用包含不同的检测技术,其中没有任何一项技术能够独立地满足应用要求。对于GPS,障碍物会阻断卫星接收,因而容易发生错误。另一种常见的导航辅助设备是地磁仪,此装置需要清晰地接触地球的磁场,然而在工业环境中会有许多磁场干扰,造成地磁仪的可靠性无法始终处于最佳状态。光学传感器会受到视线阻碍的影响,惯性传感器一般来说不会受到这些干扰,但其自身也存在一些限制,例如缺乏绝对参考点(哪里是北方?)。

传感器选择 

汽车行业20年的应用历史证明,MEMS惯性传感器具有高可靠性,同时具有低功耗、小尺寸和低成本的优势,在手机和视频游戏中的成功应用说明它在商业上也极具吸引力。然而,现有的性能水平却存在着很大的差异,适合游戏的器件并不能处理高性能导航问题。举例来说,精密工业和医疗导航所需的性能水平通常比消费电子设备所用MEMS传感器的性能水平高出一个数量级。

大多数情况下,设备的运动相对复杂(多轴运动),因此需要完整的惯性测量单元(IMU),可整合多达六个自由度的惯性移动(三组线性与三组旋转)。
举例来说,ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU能够适应许多工业仪器和汽车应用。许多情况下,可以整合四个或更多的额外自由度,包括三轴磁力检测和单轴压力(海拔高度)检测。

惯性测量单元可以输出高度稳定的线性与旋转传感器值,这些值必须针对下列影响因素进行补偿:
温度和电压漂移
偏置、灵敏度和非线性度
振动
X、Y、Z轴对准误差
惯性传感器会因为其品质而具有不同的漂移度,设计人员可以利用GPS或是地磁仪来校正此漂移。

除了良好的传感器设计以外,导航应用最主要的挑战则是决定不同时候以哪些传感器为准。惯性MEMS加速度计和陀螺仪已经证明,它对于设计人员完成一套完整功能的检测系统设计,具有良好的辅助作用。

在GPS信号会中断以及机械和电子设备产生磁力干扰的室内工业或医疗环境中,设计人员必须通过非传统方案实现机械导引。许多新兴应用,例如手术工具导航等,所需要的精度显著高于汽车导航。在所有这些情况中,惯性传感器都是一个选项,能够在视线受阻或是其他干扰来源会对非惯性传感器造成不利影响时,提供维持精确度所需的航位推算指引。

图1显示的是一个通用惯性导航系统(INS),可以用来导引从手术工具到汽车、飞机等的任何东西。该INS模型包括一个卡尔曼滤波器,这种滤波器首先用于阿波罗登月任务,目前则已普遍应用于移动通信的锁相环中,以提供多个良好但不完美的传感器相结合的机制,从而获得关于位置、方向和总体动态特性的最佳估计结果。
带GPS输入的惯性测量传感器

MEMS传感器
图1,结合多种类型传感器并借助卡尔曼滤波的惯性导航系统 。

在手术应用领域,INS可以起到辅助导航的作用,依据病患的个体特点,帮助对准人工关节,例如膝盖或髋关节等。除了能够实现更好的对准(以提高舒适度)以及更快速、侵入较少的手术之外,采用正确的传感器也有助于消除手部颤动和疲劳的问题。

近年来,纯粹的机械式对准通过光学对准来辅助补充,但正如阻碍汽车导航的GPS信号阻断问题一样,手术室中潜在的视线阻碍会限制光学传感器的精度。以惯性导引的手术对准工具则能够辅助补充(甚至取代)光学导引,不会有视线方面的问题,同时能够提供尺寸、成本和自动化方面的潜在优势。

在消费应用极力追求小尺寸、低功耗、多轴惯性传感器的同时,某些传感器开发人员同样重视开发紧凑、高精度、低功耗、高性能的传感器。这些具有良好环境适应性的传感器,正在工业、仪器仪表及医疗市场掀起一波采用MEMS惯性传感器的浪潮。