MEMS慣性傳感器如何解決空間和運(yùn)動(dòng)迷失方向的問題

本文介紹了空間和運(yùn)動(dòng)迷失方向的問題。它還包括微機(jī)電（MEMS）慣性傳感器在解決此問題上的作用。此外，它討論了阻礙MEMS收集可能實(shí)現(xiàn)的最準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的最常見障礙。

兒童和狗可以輕松地定向自己并控制體操運(yùn)動(dòng)。有些人可能認(rèn)為這就像“玩耍的孩子”一樣容易，直到他們?cè)噲D使機(jī)器或機(jī)器人復(fù)制這一壯舉。以人為本的系統(tǒng)非常復(fù)雜，當(dāng)我們?cè)诘孛嫔蠒r(shí)，就做得很好。相反，在駕駛飛機(jī)時(shí)，我們處于陌生的三維環(huán)境中。這與減少的視覺定向線索相結(jié)合，會(huì)使空間（定向）定向變得困難或無法管理。在所有通用航空事故中，有5％至10％可歸因于空間迷失方向，其中90％是致命的。

微機(jī)電（MEMS）慣性傳感器通過設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感。它們有效地檢測(cè)和處理線性加速度，磁航向，高度和角速度信息。為了充分利用慣性傳感器的性能潛力，設(shè)計(jì)人員必須始終了解整體機(jī)械系統(tǒng)，并密切注意應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)源和共振。

在本文中，我們描述了MEMS慣性傳感器（例如陀螺儀和加速度計(jì)）如何幫助某人或某物克服空間定向問題。我們將說明外力和運(yùn)動(dòng)將如何影響系統(tǒng)運(yùn)行，以及組件的放置和安裝條件（空間關(guān)系）如何直接影響MEMS慣性傳感器的性能?？紤]到許多潛在的系統(tǒng)配置（例如，電路板尺寸，材料，安裝方法），設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)每種應(yīng)用調(diào)整獨(dú)特的解決方案。我們展示了如何做到這一點(diǎn)：檢測(cè)和減輕錯(cuò)誤的慣性信號(hào)。我們提出了一些切實(shí)可行的建議，以增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行，在實(shí)際環(huán)境中以及何時(shí)出現(xiàn)不期望的機(jī)車信號(hào)和系統(tǒng)共振的情況下。

了解平衡，人類，

我們首先討論平衡?？紤]一下人耳。在圖1中，耳蝸是聽力的器官。耳鼓通過我們身體上一些最小的骨頭搖動(dòng)耳蝸。耳蝸含有很少的毛發(fā)或纖毛，充滿了液體。隨著耳蝸的移動(dòng)，流體不會(huì)因?yàn)閼T性而移動(dòng)。纖毛感覺到這種運(yùn)動(dòng)差異，并將神經(jīng)沖動(dòng)傳遞給我們的大腦，這些沖動(dòng)被解釋為聲音。

人耳還包含用于平衡（也稱為平衡）的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。三個(gè)半圓管的功能類似于垂直陀螺儀，可檢測(cè)并發(fā)送有關(guān)人的平衡狀態(tài)的沖動(dòng)信號(hào)到大腦。不幸的是，我們感知運(yùn)動(dòng)的方式是有限的。

如果運(yùn)動(dòng)小于每秒約2度，我們將忽略它。如果平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間超過20到25秒，我們將停止感測(cè)運(yùn)動(dòng)。這些人為限制會(huì)引起混亂。內(nèi)耳還有另外兩個(gè)感覺器官：囊細(xì)胞感覺到線性加速度，而球囊感覺到重力。耳朵中的所有五個(gè)傳感器通過告知大腦有關(guān)身體的位置和運(yùn)動(dòng)來幫助我們達(dá)到平衡或平衡。這與我們的眼睛一起，可以幫助我們保持平衡，并在頭部移動(dòng)或身體旋轉(zhuǎn)時(shí)將眼睛聚焦在一個(gè)物體上。

MEMS慣性傳感器需要救援

人體可能會(huì)上當(dāng)，在某些情況下，必須依靠外部幫助來保持良好的平衡。MEMS慣性傳感器具有人體對(duì)空間定向的敏感性，因此提供了一種解決方案。正確安裝的慣性傳感器可用于建立慣性框架參考，幫助用戶識(shí)別方向和/或運(yùn)動(dòng)。使用這些設(shè)備可以避免潛在的有缺陷的感知。

為了確保慣性傳感器的運(yùn)行堅(jiān)固性，必須正確安裝和定向它們。組裝慣性傳感器有良好的設(shè)計(jì)規(guī)范，如果正確應(yīng)用，它們會(huì)產(chǎn)生高性能的系統(tǒng)。

放置注意事項(xiàng)

讓我們從定位開始。相對(duì)于某些基準(zhǔn)放置慣性傳感器（通常參考選定的PCB側(cè)面完成），并通過表面安裝回流工藝保持該定位是一項(xiàng)艱巨的工作。此外，組裝的每個(gè)級(jí)別（傳感器到封裝，封裝到PCB，PCB到外殼等）都會(huì)增加對(duì)準(zhǔn)誤差。由于傳感器組件的方向（相對(duì)于慣性框架）決定了系統(tǒng)的精度，因此必須將此處的任何錯(cuò)誤最小化。圖2說明了不完全定向的誤差。軟件可以校準(zhǔn)失準(zhǔn)，但是如果此誤差源不受限制，則高階效應(yīng)可能會(huì)降低傳感器性能。

熱機(jī)械應(yīng)力是錯(cuò)誤的隱患。它會(huì)以慣性傳感器上的熱梯度形式暴露自己，從而引起封裝應(yīng)力，而PCB中的熱梯度會(huì)使其自身暴露出來，從而將應(yīng)力傳遞給慣性傳感器。這些熱效應(yīng)有時(shí)難以區(qū)分，并且在某些情況下都同時(shí)存在。結(jié)果就是封裝應(yīng)力，這可能會(huì)導(dǎo)致偏置（即偏移）和靈敏度性能誤差。理想情況下，重要的發(fā)熱設(shè)備的位置應(yīng)遠(yuǎn)離慣性傳感器，這在我們緊湊的PCB設(shè)計(jì)領(lǐng)域有時(shí)很難滿足。無論如何，必須盡一切努力將慣性傳感器放置在遠(yuǎn)離熱源的位置，以最大程度地減小溫度梯度。

機(jī)械系統(tǒng)注意事項(xiàng)
外部運(yùn)動(dòng)源（例如，慣性信號(hào)，沖擊，振動(dòng)）可能會(huì)無意間引起PCB諧振。在最壞的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)虛擬慣性信號(hào)，這些信號(hào)是系統(tǒng)共振的產(chǎn)物。這些錯(cuò)誤信號(hào)充當(dāng)噪聲，掩蓋了感興趣的信號(hào)（例如，機(jī)車和/或振動(dòng)的信號(hào)）。當(dāng)發(fā)生共振條件時(shí)，相對(duì)于PCB上波谷波峰位置的慣性傳感器位置可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)性能下降。

圖3顯示了慣性傳感器在PCB上的兩種可能的放置方式，并突出顯示了主諧振模式。左下位置在（藍(lán)綠色）節(jié)點(diǎn)區(qū)域中顯示一個(gè)傳感器。與位于PCB右上方的傳感器相比，這是減輕與共振相關(guān)的角速率信號(hào)的地方。第二個(gè)慣性傳感器位于節(jié)點(diǎn)區(qū)域和傾斜到波谷之間的邊緣上（以深藍(lán)色顯示），該傳感器處于不平衡位置，在激發(fā)共振條件下更容易產(chǎn)生加速度和角速率信號(hào)損壞。

盡管有許多技術(shù)可以減輕PCB的共振（例如，電路板加固，系統(tǒng)阻尼，隔振），但應(yīng)該對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。應(yīng)該執(zhí)行有限元分析（FEA）以識(shí)別所有潛在的共振模式及其相關(guān)的頻率和Qs。然后可以實(shí)施好的設(shè)計(jì)技術(shù)來增強(qiáng)性能。

結(jié)論

我們研究了運(yùn)動(dòng)，并了解了MEMS慣性傳感器對(duì)克服空間定向的重要性。我們還討論了MEMS慣性傳感器的性能如何因不良和非理想的放置，安裝條件以及系統(tǒng)諧振而受到負(fù)面影響。

Maxim Integrated提供具有高精度和穩(wěn)定性的慣性傳感器產(chǎn)品。例如，MAX21100是單片式3軸陀螺儀，外加3軸加速度計(jì)慣性測(cè)量單元（IMU），集成了9軸傳感器融合技術(shù)，采用了專有的運(yùn)動(dòng)合并引擎（MME）。該設(shè)備非常適合手機(jī)和平板電腦應(yīng)用，游戲控制器，運(yùn)動(dòng)遙控器和其他消費(fèi)類設(shè)備。

通過遵循適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)考慮，您可以“導(dǎo)航”這些“多巖石的”事件，并獲得MEMS慣性傳感器所期望的性能。

編輯：hfy