新兴MEMS传感器应用：高性能运动追踪
2013-09-19 13:38:35   来源：微迷   评论：0   点击：

作者：Xsens工业应用产品经理Marcel van Hak   翻译：曹明霞

在过去几十年里，MEMS惯性传感器技术不断在精度、可靠性及成本方面取得巨大突破。创新性的大厂受惠于此，将惯性测量单元（IMUs）、航姿参考系统（AHRSs）和惯性导航系统（INSS）等产品推向市场，来地替代昂贵而笨重的光纤陀螺（FOG）。根据市场调研机构Yole Developpement分析数据显示，2010年MEMS惯性测量单元（IMUs）占有商业市场的40%份额，而光纤陀螺仅占到13%。MEMS IMUs产品正在不断集成进入更多的应用中。本文将探讨MEMS传感器的创新应用：成本在1000美元至5000美元运动追踪器的典型应用。

低成本摄像云台

运动追踪的主要应用之一是无人驾驶汽车、稳定平台及摄像云台的控制和稳定，在这些应用中几毫秒的低延迟时间都非常关键。最新的MEMS航姿参考系统（AHRSs）具有小于2毫秒的时间延迟能力，能够满足以上需求。由于在这些应用中所涉及的动力学特点，振动和时间持续的加速度频繁出现，会导致暂时误差并不断积累。在应对振动的负面影响方面，信号处理发挥着极其重要的作用。新型偏航角速度陀螺仪具有高带宽的特点，并结合了强大的信号处理算法，能够消除频率高达200赫兹的振动。关于消除时间持续加速度的负面影响在加传感器融合中的重要作用将会作进一步讨论。

控制和稳定的应用之一是低成本摄像云台。微型直升机的转子测量直径只有几米，最大有效载荷仅为5-10公斤，通常用于广告、电影、企业宣传片的拍摄。在此应用中所有的挑战汇聚在一起：直升机振动严重--尺寸小但速度快导致时间持续的加速度存在，有效载荷空间狭小（包括IMU或者AHRS）。摄像云台的响应必须具有低延迟性能才能获得平稳的图像并能够捕捉到快速移动的物体。结合所有这些要求，之前使用的是一个高度精确的（因此大型而笨重）惯性测量单元，从而无法在技术上实现。而采用工业级MEMS及智能传感器融合算法，不仅能够满足性能的要求，而且价格也仅是光线陀螺价格的一部分。

传感器融合算法

在过去的几年中，基于MEMS的姿态航向参考系统（AHRSs）的传统限制问题，比如钢铁的磁场扭曲、永久磁铁或电流问题，已经得到了有效解决。该解决方案是基于高性能传感器融合算法，通过扭曲检测并采用目标评估机制（heading estimation mechanism）能够完全抵消磁场扭曲。
 

图1 Xsens公司MEMS IMU、AHRS及GPS/INS等系列产品

传感器融合算法的另一个重要例子是应用过程中出现时间持续的加速度。对于AHRSs中的加速度计来说，重力和横向加速度之间没有任何区别。如果横向加速度没有适当补偿，这些横摇和纵摇数值将不准确。新的传感器融合算法可以检测到这些加速度，再根据测量的动态数据选择适合的传感器融合。在工业应用中经常面临磁扭曲问题，而在航空和地面车辆应用中最常遇到时间持续的加速度问题。

传感器融合算法的重要性已经被各种应用实例所验证，比如现在移动设备、处理器、运动传感器制造商与专业的软件供应商一起配合满足消费电子应用中运动追踪需求。

测量修正

鉴于IMU和AHRSs常常被用来控制和稳定平衡摄像云台或无人驾驶汽车，它们也可以被用来纠正移动平台上成像系统，例如成激光扫描仪、摄像机或声学成像设备（声纳）。另外一个新兴的应用是低成本3D地图，最知名的当属谷歌街景地图。该应用使用一个高级的全球导航卫星系统接收器和战术级IMU，以便找到360度全景相机的位置和方向。那些未采用这种惯性导航系统（INSS）典型成本达数十万美元，这让许多规模较小的移动测绘系统无力承担。许多政府机构，比如森林防火机构或消防队，希望有机会获得具有成本效益的系统来监督公共工程，或在森林中通过无人机找到火源。

MEMS技术提供了入门级移动测绘解决方案并已经进入商业化。例如在低成本的激光扫描系统或热成像系统中，以基于MEMS技术的惯性导航系统输出位置和方向，并通过笔记本电脑中的控制软件与汽车货箱相结合。这些低成本的解决方案，针对性的向用户提供预算有限而又不愿意或没能力翻新全车来安装移动测绘系统。对航空测绘来说，激光扫描解决方案通常部署在重量仅有5-10公斤的小型无人机上。由于MEMS AHRSs具有尺寸小和重量轻的特点，它不再需要租用一个特殊的飞机及飞行员来进行航空测绘。

海上货运

由于MEMS AHRSs具有能够应对振动及磁场扭曲的能力，海上货运成为其最大的增长市场之一。如今船务公司和其他重工业公司已经开始采用低成本MEMS AHRSs。

船舶状态估计有众多应用，其中之一便是货物管理。使用MEMS AHRSs系统能够确定船只的移动、加速度和速度，并把船只作为虚拟传感器能够计算出在任何位置时的数值。这些信息再结合天气数据、波长测量、货物信息和更多其它测量数据，确定出最佳路线和速度以减少晃动并优化燃料消耗。如果没有MEMS运动追踪系统的精确度和稳定性，将无法实现如此具有成本效益的解决方案。

绿色能源

即将到来的绿色能源市场正迅速采用MEMS AHRSs，其中新兴应用之一是大型筝帆推进集装箱货船或风电发电。在筝帆连接货船的应用中，系统借助高空风力来推动船只， MEMS AHRSs用来控制风筝的最大效率。在发电应用中，筝帆被安装在大型海上风电场。在一个完整周期后收回筝帆过程中必须精确计算正确的时间点，而MEMS AHRSs即被用来确定这一个时刻。尽管筝帆具有很高的加速度，但是筝帆的重量及尺寸的增加都会使得效率降低， MEMS AHRSs能够给出足够的精度。

MEMS AHRSs：接下来的应用是什么？

提到MEMS AHRSs应用，人们往往只是与无人或远程操作车辆相联系。；而目前新兴的应用领域正在推动MEMS IMUs及AHRSs的快速增长，这些应用都是采用更先进的技术，包括更精确的MEMS惯性传感器，更好的传感器融合算法和更小型化的元器件。采用这些新型IMU和AHRSs的系统集成商将能够为他们的客户带来更加创新的产品。