運(yùn)動五感：利用MEMS慣性感測技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用變革

盡管MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)在氣囊和汽車壓力傳感器中的應(yīng)用已有大約20年，但促使大眾認(rèn)識到慣性傳感器作用的是Nintendo? Wii?和Apple? iPhone?。

然而，在一定程度上，流行的看法是慣性傳感器的作用主要體現(xiàn)在最終產(chǎn)品有必要檢測加速度和減速度的時候。誠然，從純科學(xué)的角度來看，確實(shí)是這樣。但是，這種看法忽視了MEMS加速度計和陀螺儀日益增加的諸多用途，比如，醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)類電子設(shè)備、汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域。

通過審視五種運(yùn)動檢測模式各自的可能性，可以超越當(dāng)今大量MEMS應(yīng)用的范圍，極大地擴(kuò)大應(yīng)用選項。這五種模式是加速度（包括平移運(yùn)動，如位置和方向）、振動、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)。

例如，帶活動檢測功能的加速度計可以實(shí)現(xiàn)電源管理技術(shù)，因為該功能可以通過運(yùn)動或振動的缺失來確定設(shè)備處于非活動狀態(tài)，從而告訴設(shè)備進(jìn)入最低功耗模式。復(fù)雜的控制和物理按鈕逐漸被由手指觸摸動作控制的手勢識別接口取代。在其他應(yīng)用案例中，最終產(chǎn)品變得更加精確，例如，羅盤可以對手持傾斜角進(jìn)行補(bǔ)償。

本文將舉例說明高級商用MEMS加速度計和陀螺儀將如何通過五類運(yùn)動檢測實(shí)現(xiàn)各類最終產(chǎn)品的變革。

運(yùn)動檢測和MEMS簡介

加速度、振動、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)除外）實(shí)際上都是加速度在不同時間段的不同表現(xiàn)。然而，我們?nèi)祟悷o法基于直覺將這些運(yùn)動感視為加速度/減速度的變化形式。分別考察各個模式有助于預(yù)見更多可能性。

加速度（記住，包括平移運(yùn)動）衡量速度在單位時間內(nèi)的變化。速度以米/秒(m/s)為單位，包括位移速度和運(yùn)動方向。因此，加速度的單位是米/平方秒(m/s2)。負(fù)值的加速度—想像一下司機(jī)踩剎車時汽車減速—被稱為減速度。

現(xiàn)在考慮不同時期周期的加速度?？梢詫⒄駝酉胂癯煽焖侔l(fā)生的周期性加速度和減速度。

類似地，沖擊指突如其來的加速度。但與振動不同，沖擊具有非周期性，一般只發(fā)生一次。

我們再次延長時間來看。當(dāng)物體因運(yùn)動改變傾角時，其相對于重力的位置會發(fā)生一定的變化。與振動和沖擊相比，這種運(yùn)動一般非常緩慢。

因為前四種運(yùn)動模式檢測都涉及到加速度的某個方面，所以它們是通過g力來衡量的，即重力對地球上物體產(chǎn)生的力的單位（1g = 9.8 m/s2）。MEMS加速度計通過測量重力在加速度計軸上產(chǎn)生的作用來檢測傾角。在三軸加速度計中，用三個獨(dú)立的輸出來測量X、Y和Z三個運(yùn)動軸上的加速度。

目前，市場份額最大的加速度計用差分電容來測量g力，然后將其換算成伏特或位值（位值用于數(shù)字輸出加速度計），隨后將換算結(jié)果傳至微處理器，以便微處理器執(zhí)行操作。得益于技術(shù)的最新發(fā)展，已經(jīng)可以制造出微型低g和高g檢測范圍的MEMS加速度計，其帶寬比以前的加速度計要寬得多，極大地增加了潛在應(yīng)用領(lǐng)域。低g檢測范圍小于20 g，用于處理人可以產(chǎn)生的運(yùn)動。高g可用于檢測與機(jī)器或車輛相關(guān)的運(yùn)動—實(shí)際上指人無法產(chǎn)生的運(yùn)動。

以上我們只討論了線性速度運(yùn)動，這類運(yùn)動包括加速度、振動、沖擊和傾斜。旋轉(zhuǎn)是測量角速率運(yùn)動的一個指標(biāo)。這種模式與其他模式不同，因為旋轉(zhuǎn)可能在加速度無變化的條件下發(fā)生。為了理解其原理，不妨想像有一個3軸慣性傳感器。假設(shè)該傳感器的X和Y兩軸與地球表面平行；Z軸指向地球中心。在此位置，Z軸的測得值為1 g；X軸和Y軸為0 g?，F(xiàn)在旋轉(zhuǎn)傳感器，使其只繞Z軸運(yùn)動。X平面和Y平面只是旋轉(zhuǎn)，其值仍然為0 g，Z軸仍為1 g。

MEMS陀螺儀用于檢測這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于某些最終產(chǎn)品在其他形式的運(yùn)動以外還須測量旋轉(zhuǎn)，所以可以將陀螺儀集成到慣性測量單元(IMU)中，其中內(nèi)嵌了一個多軸陀螺儀和一個多軸加速度計。

利用加速度提升可用性，進(jìn)行電源管理

前面我們注意到，加速度可以用于檢測運(yùn)動和位置。如此就可以用MEMS加速度計來識別設(shè)備被拿起和放下兩種狀態(tài)，檢測到后就可以產(chǎn)生一個中斷，使設(shè)備能自動開啟和關(guān)閉相應(yīng)的功能?？梢允垢鞣N功能組合保持活躍，或者使其進(jìn)入最低功耗狀態(tài)。運(yùn)動驅(qū)動型開/關(guān)功能非常人性化，因為它們消除了用戶的重復(fù)性動作。另外，這些功能有助于優(yōu)化電源管理，延長充電間隔和電池替換周期。采用背光LCD的智能遙控是眾多潛在應(yīng)用場景之一。

用加速度計檢測運(yùn)動并產(chǎn)生中斷的另一種方式是軍人或公共安全人員使用的無線電系統(tǒng)。為了確保通信的安全性，當(dāng)無線電不是處于被佩戴或攜帶的狀態(tài)時，需要重新認(rèn)證身份才能允許用戶使用。注意，為了設(shè)計出實(shí)用的便攜或小型產(chǎn)品，前述兩種應(yīng)用場景需要采用低功耗加速度計：最多幾微安(μA)。

運(yùn)動檢測的另一種應(yīng)用是在醫(yī)療設(shè)備中，如自動體外除顫器(AED)。一般情況下，根據(jù)設(shè)計，AED產(chǎn)生電擊，使病人的心肝恢復(fù)跳動。如果失敗，就必須實(shí)施人工心肺復(fù)蘇術(shù)(CPR)。經(jīng)驗不足的救助人員可能無法將病人的胸部按壓到位，無法進(jìn)行有效的CPR。把加速度計嵌入AED胸墊，通過測量胸墊移動的距離，可以向救助人員提供反饋，使其知道要施加多大的壓力。

利用振動進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能

振動的輕微變動是軸承磨損、機(jī)械組件定位失調(diào)和其他機(jī)械（包括工業(yè)設(shè)備）故障的前兆。帶寬超寬的超小型MEMS加速度計是監(jiān)控電機(jī)、風(fēng)扇和壓縮機(jī)內(nèi)部振動的理想解決方案。如果能進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，制造企業(yè)就能避免損壞昂貴的設(shè)備，預(yù)防故障，防止造成代價巨大的生產(chǎn)效率損失。

也可以通過測量設(shè)備振動特征的變化來檢測機(jī)器是否經(jīng)過調(diào)節(jié)優(yōu)化，其工作模式有利于節(jié)能。除非經(jīng)過校正，否則，這種低效工作模式可能會傷害到企業(yè)的綠色制造事業(yè)，增加電費(fèi)開支，或者最終還會導(dǎo)致設(shè)備損壞。

沖擊、手勢識別等

許多筆記本電腦中采用的磁盤驅(qū)動器保護(hù)功能是沖擊檢測目前較為廣泛的應(yīng)用。一個加速度計檢測表明筆記本電腦正在跌落微小的g力，這些g力是沖擊事件的前兆：沖擊地板。在數(shù)毫秒以內(nèi)，系統(tǒng)會命令硬盤驅(qū)動器磁頭停止運(yùn)行。磁頭停止運(yùn)行后，在沖擊持續(xù)過程中，磁頭不再與磁盤盤片接觸，從而防止損壞驅(qū)動器，避免數(shù)據(jù)丟失。

手勢識別接口是這類慣性檢測技術(shù)一種極具前景的新用途。通過輕擊、雙擊、搖動等確定性手勢，用戶可以激活不同功能或者調(diào)整工作模式。在物理按鈕和開關(guān)難以操作的情況下，手勢識別可以提高設(shè)備的可用性。無按鈕設(shè)計不但可以降低系統(tǒng)總成本，還可以提高最終產(chǎn)品的耐用性，比如水下攝像機(jī)，按鈕周圍的開口會使水浸入相機(jī)機(jī)身。

小型消費(fèi)電子產(chǎn)品只是基于加速度計的手勢識別技術(shù)的一個應(yīng)用領(lǐng)域。得益于超小型低功耗MEMS加速度計，輕擊式接口可能成為穿戴式和植入式醫(yī)療設(shè)備的良好選擇，比如藥物輸送泵和助聽器。

利用傾斜檢測實(shí)現(xiàn)精密操作

傾斜檢測在手勢識別接口中也有著巨大的潛力。例如，在建筑或工業(yè)檢測設(shè)備等應(yīng)用中，單手操作可能更適用。不操作設(shè)備的那只手可以控制操作員站立的鏟斗或平臺，或者可能握持系繩以保證安全。操作員只需"旋轉(zhuǎn)"探針或設(shè)備即可調(diào)節(jié)設(shè)置。

在這種情況下，三軸加速度計會將旋轉(zhuǎn)檢測為傾斜：測量傾角在重力條件下的低速變化，檢測重力向量的變化，并確定方向是順時針還是反時針。傾斜檢測也可以與輕擊（沖擊）識別結(jié)合起來，以便操作員能單手控制設(shè)備的更多功能。

設(shè)備位置補(bǔ)償是傾斜測量的又一個重要用武之地。以GPS（全球定位系統(tǒng)）或手機(jī)中的電子羅盤為例。這里有一個著名的問題，即在羅盤不與地球表面完全平行時，結(jié)果產(chǎn)生的首向誤差問題。

工業(yè)電子秤是另一個例子。在該應(yīng)用中，必須計算裝載桶相對于地球的傾角，以獲得準(zhǔn)確的重量讀數(shù)。壓力傳感器（如汽車和工業(yè)機(jī)器中使用的傳感器）同樣存在重力影響問題。這些傳感器含有薄膜，其撓度會隨傳感器安裝位置而變化。在所有這些情況下，MEMS加速度計會進(jìn)行必要的傾角檢測，對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

旋轉(zhuǎn)：陀螺儀和IMU實(shí)際應(yīng)用

如前所述，如果把旋轉(zhuǎn)與其他慣性檢測結(jié)合起來，結(jié)果有助于改進(jìn)MEMS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際上，這要求使用加速度計和陀螺儀。

市場上已經(jīng)出現(xiàn)慣性測量單元，其中包括一個多軸加速度計、一個多軸陀螺儀，并且為了進(jìn)一步提高首向精度，還有一個多軸磁力計。另外，IMU還可支持全6自由度(6DoF)。這可為醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、手術(shù)儀器、高級假肢和工業(yè)車輛自動導(dǎo)航等應(yīng)用帶來超精細(xì)的分辨率。除高精度工作模式以外，選擇IMU的另一個優(yōu)勢是其具備的多種功能可以由傳感器制造商進(jìn)行預(yù)測試和預(yù)校準(zhǔn)。

IMU也可用在精度要求不太明顯的應(yīng)用之中。例如，智能高爾夫球桿可以跟蹤和記錄一次揮桿的每個動作，因而有助于提高高爾夫球手的技能。球桿內(nèi)集成的加速度計測量加速度和揮桿平面，陀螺儀測量揮桿過程中的內(nèi)旋動作，即高爾夫球手雙手的扭動動作。這種高爾夫球桿記錄比賽或練習(xí)中采集到的數(shù)據(jù)，供以后在電腦上分析。

信號處理新浪潮

無論是需要用戶友好型功能，降低功耗，消除物理按鈕和控制，補(bǔ)償重力和位置，還是要實(shí)現(xiàn)更加智能化的操作，基于MEMS的慣性檢測技術(shù)都有著豐富的選項，可以有效地捕捉運(yùn)動五感。

諸如推出 iMEMS? 運(yùn)動信號處理系列產(chǎn)品的ADI公司一樣的創(chuàng)新企業(yè)以巨大的較領(lǐng)先優(yōu)勢，推出了可以滿足下一波信號處理浪潮需求的各類加速度計和陀螺儀。日益增多的運(yùn)動檢測應(yīng)用將從這些IC解決方案的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信號調(diào)理電路和集成功能等特性中大受裨益。

審核編輯：郭婷