當(dāng)涉及到室內(nèi)導(dǎo)航和處理復(fù)雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時(shí)，可以使用傳感器來提高系統(tǒng)從異常運(yùn)動(dòng)中確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力。
導(dǎo)航通常與汽車、飛機(jī)和輪船有關(guān)。然而，在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，精確導(dǎo)航正變得越來越廣泛地應(yīng)用于從工廠機(jī)械和手術(shù)機(jī)器人到急救人員跟蹤的各種應(yīng)用中。有許多現(xiàn)有的方法可以得出位置、方向和運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兣c指向、轉(zhuǎn)向和引導(dǎo)設(shè)備有關(guān)。事實(shí)上，許多應(yīng)用依賴GPS（全球定位系統(tǒng)）已經(jīng)變得很普遍。但是，當(dāng)涉及到室內(nèi)導(dǎo)航和處理更復(fù)雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時(shí)，僅靠GPS是不夠的。
對(duì)于這些類型的應(yīng)用，可以使用各種傳感器類型來提高系統(tǒng)從異常運(yùn)動(dòng)中確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力。給定傳感器解決特定導(dǎo)航問題的能力不僅取決于傳感器的性能水平，還取決于應(yīng)用的獨(dú)特動(dòng)態(tài)。與任何復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題一樣，起點(diǎn)是了解最終應(yīng)用的目標(biāo)和限制。從那里，可以對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行排序，以粗略了解所需的傳感器，然后通過仔細(xì)的傳感器調(diào)理、集成和處理進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)優(yōu)化。
了解導(dǎo)航問題
讓我們從一個(gè)類比開始：假設(shè)你在工作，想要一杯咖啡，所以你導(dǎo)航到咖啡壺。如果你以前去過那里，你會(huì)想到一條路線，但一路上你依靠各種感官來到達(dá)那里，包括視覺、音頻、平衡，甚至觸摸。您自己的個(gè)人處理器結(jié)合了這些不同的來源，以及一些嵌入式模式識(shí)別，如果這是艱難的一天，您可能需要暫停并詢問一些外部輸入，即方向。在整個(gè)過程中，您依靠您的個(gè)人傳感器不僅要單獨(dú)精確，而且可以很好地協(xié)同工作，在必要時(shí)拒絕誤導(dǎo)性信息（即鄰居隔間的咖啡味），并依賴其他傳感器。為了到達(dá)目的地，您需要采用與車輛、手術(shù)器械和機(jī)器人機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相同的技術(shù)。
本例的工業(yè)推論包括各種傳感技術(shù)，其中沒有一種技術(shù)可以單獨(dú)解決大多數(shù)應(yīng)用。如前所述，由于阻礙衛(wèi)星接收的障礙物，GPS容易出錯(cuò)，從而降低整體精度或更新速率。另一種常見的導(dǎo)航輔助設(shè)備，磁力計(jì)，需要清楚地進(jìn)入地球磁場，雖然這通?？梢约僭O(shè)，但工業(yè)環(huán)境中存在許多場干擾，使磁力計(jì)的可靠性充其量是間歇性的。光學(xué)傳感器受到視線障礙物的影響，而慣性傳感器通常不受這些干擾，但確實(shí)有一些自身的局限性，例如，缺乏絕對(duì)參考（North在哪里？表 1 概述了主要導(dǎo)航傳感器類型的相對(duì)優(yōu)勢和潛在問題。
傳感器選擇和處理
除了最簡單的問題外，大多數(shù)解決方案都依賴于多種傳感器類型，以便在所有條件下提供所需的精度和性能。慣性傳感器，如基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的加速度計(jì)和陀螺儀，提供了完全彌補(bǔ)其他傳感器類型缺點(diǎn)的潛力，因?yàn)樗鼈儾皇茉S多相同的干擾，并且不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施（沒有衛(wèi)星，沒有磁場，沒有攝像頭……只是慣性）。
MEMS慣性傳感器具有高度可靠性（在汽車行業(yè)擁有20年的業(yè)績記錄）和具有商業(yè)吸引力，具有更低的功耗、尺寸和成本，在手機(jī)和視頻游戲中的成功應(yīng)用證明了這一點(diǎn)。但是，可用的性能水平存在很大差異，適用于游戲的設(shè)備無法解決前面概述的高性能導(dǎo)航問題。例如，精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航通常需要比消費(fèi)類設(shè)備中使用的MEMS傳感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)的性能水平。
在大多數(shù)情況下，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜（多個(gè)軸），這就推動(dòng)了對(duì)全慣性測量單元 （IMU） 的需求，該單元可以集成多達(dá)六個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)自由度——三個(gè)線性和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。
圖2.慣性測量單元捕獲復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)。
例如，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU具有大多數(shù)工業(yè)導(dǎo)航問題所需的集成度和性能，外形緊湊，適用于許多工業(yè)儀器和車輛（見圖1）。在許多情況下，還可以集成四個(gè)或更多額外的自由度，包括三個(gè)磁傳感軸和一個(gè)壓力（高度）傳感軸。
如前所述，任何傳感器類型都有局限性，如果這些限制會(huì)破壞系統(tǒng)性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以選擇同時(shí)實(shí)施補(bǔ)償技術(shù)并合并多種傳感器類型。例如，慣性測量單元輸出高度穩(wěn)定的線性和旋轉(zhuǎn)傳感器值，該值必須補(bǔ)償以下影響：
溫度和電壓漂移
偏置、靈敏度和非線性
振動(dòng)
X、Y、Z 軸未對(duì)準(zhǔn)
慣性傳感器可能具有不同程度的漂移，具體取決于其質(zhì)量，也可以使用GPS或磁力計(jì)偶爾來校正該漂移。除了良好的傳感器設(shè)計(jì)之外，導(dǎo)航的一個(gè)核心挑戰(zhàn)是確定依賴哪些傳感器以及何時(shí)依賴。慣性MEMS加速度計(jì)和陀螺儀已被證明是幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)功能齊全的傳感系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。
使用 MEMS 慣性傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)
在 GPS 信號(hào)被拒絕且機(jī)械和電子設(shè)備引入磁干擾的室內(nèi)工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員必須建立不太傳統(tǒng)的機(jī)器引導(dǎo)方法。許多新興應(yīng)用，例如手術(shù)工具導(dǎo)航，也需要比汽車導(dǎo)航更高的精度。在所有這些情況下，慣性傳感器都是一種選擇，并提供在視線阻塞或其他對(duì)非慣性傳感器有害的干擾源期間保持精度所需的航位推算指導(dǎo)。
圖 3 描述了一種通用慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS），可用于導(dǎo)航從車輛到飛機(jī)再到外科醫(yī)生工具的任何東西。INS模型包含一個(gè)卡爾曼濾波器，該濾波器首先用于阿波羅登月任務(wù)，如今在移動(dòng)通信中的鎖相環(huán)中普遍存在，以提供一種機(jī)制來合并多個(gè)良好但不完美的傳感器，并提供位置，方向和整體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的最佳估計(jì)。
圖3.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，借助卡爾曼濾波合并多種傳感器類型。
當(dāng)應(yīng)用于外科應(yīng)用時(shí)，INS可用作導(dǎo)航輔助工具，根據(jù)患者獨(dú)特的身體特征對(duì)齊人工關(guān)節(jié)，例如膝蓋或臀部。
除了更好地對(duì)齊以提高舒適度以及更快、侵入性更小的手術(shù)目標(biāo)外，正確的傳感器還可以幫助對(duì)抗手部震顫和疲勞。近年來，純機(jī)械對(duì)準(zhǔn)得到了光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的補(bǔ)充，但就像用于車輛導(dǎo)航的GPS阻塞一樣，手術(shù)室中存在潛在的視線阻塞，限制了光學(xué)傳感器的精度。慣性引導(dǎo)的手術(shù)對(duì)準(zhǔn)工具可以補(bǔ)充甚至取代光學(xué)引導(dǎo)，沒有視線問題，并且在尺寸、成本和自動(dòng)化方面也具有潛在的優(yōu)勢。
盡管解決導(dǎo)航問題的基礎(chǔ)知識(shí)在應(yīng)用程序之間具有很大的一致性，但必須充分了解終端系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。這些最終指導(dǎo)選擇合適的傳感器類型以及整體性能。
在大力推動(dòng)用于消費(fèi)類應(yīng)用的小型、低功耗、多軸慣性傳感器的同時(shí)，一些傳感器開發(fā)人員同樣高度關(guān)注緊湊型低功耗高性能傳感器在所有條件下的高精度。這些高精度、環(huán)境穩(wěn)健的傳感器發(fā)展正在推動(dòng)MEMS慣性傳感器在工業(yè)、儀器儀表和醫(yī)療市場中的新一輪采用。
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