打鐵還需自身硬，傳感器融合算法還需要MEMS的高精度

如果農(nóng)場(chǎng)基于豐富的傳感器內(nèi)容來(lái)聯(lián)合利用自動(dòng)化地面車(chē)輛和航空器，那么地面作業(yè)將更加有效；如果手術(shù)室能夠?qū)⒔?jīng)典的導(dǎo)引技術(shù)供精密制導(dǎo)機(jī)械臂使用，那么成功率將得到保障；如果救援行動(dòng)中能夠精準(zhǔn)定位施救人員的位置，那么生還幾率將大大提高。要想實(shí)現(xiàn)諸如此類(lèi)的假設(shè)，精密慣性傳感器有望發(fā)揮巨大作用。在MEMS領(lǐng)域深耕數(shù)十年的ADI，其高性能慣性檢測(cè)解決方案就正在實(shí)現(xiàn)這些愿景，并已有應(yīng)用成功的案例，例如：

- 通過(guò)將MEMS IMU嵌入到農(nóng)用車(chē)，檢測(cè)其實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，精度可以達(dá)到厘米級(jí)。這樣避免了部分土地未收割或者未播種的情況，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。

- 外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)KneeAlign2采用ADI MEMS IMU，憑借其可以在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)測(cè)定病人脛骨旋轉(zhuǎn)中心，并精確計(jì)算出切骨角度。病人膝蓋經(jīng)完整動(dòng)作掃描后，醫(yī)生依靠ADI IMU捕捉到的定位與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可以快速測(cè)定股骨切割塊的精確方位。

- 執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)，進(jìn)入了建筑結(jié)構(gòu)或者是復(fù)雜環(huán)境下，ADI MEMS IMU可以識(shí)別施救人員當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型并測(cè)量步數(shù)和步幅，提供精確到米的定位精度。并且ADI MEMS IMU能夠抑制錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)，例如震動(dòng)、沖擊以及腳或身體左右搖晃/搖擺。

打鐵還需自身硬，傳感器融合算法還需要MEMS的高精度

從上述應(yīng)用不難看出，其關(guān)鍵在于MEMS傳感器的高精度，而精度的提高可以通過(guò)選擇質(zhì)量更高的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)曾有一種不切實(shí)際的說(shuō)法是，可以利用傳感器融合算法，通過(guò)編程使技術(shù)水平很差的傳感器獲得良好的性能。傳感器融合的確可用于某些校正，例如：利用溫度傳感器校正其他傳感器的溫漂，或利用加速度計(jì)(g)傳感器校正陀螺儀的重力效應(yīng)。但即使是在這些情況下，也只能依據(jù)環(huán)境來(lái)校準(zhǔn)給定傳感器，而無(wú)法提高它在校準(zhǔn)點(diǎn)之間維持性能的固有能力，也就是說(shuō)，只能插值而無(wú)法維持校準(zhǔn)精度。質(zhì)量較差的傳感器通常會(huì)迅速漂移，如果不進(jìn)行廣泛和成本高昂的校準(zhǔn)，精度會(huì)立即下降。

簡(jiǎn)言之，傳感器融合雖然可以提供確定性的校正（如溫度補(bǔ)償），并會(huì)基于系統(tǒng)狀態(tài)知識(shí)，管理從一個(gè)傳感器到另一個(gè)傳感器的切換過(guò)程，但是軟件對(duì)于彌補(bǔ)不確定性差距的作用不大，無(wú)法彌補(bǔ)傳感器內(nèi)在的缺陷。并且就算是高質(zhì)量傳感器為使器件發(fā)揮最高性能，通常也需要進(jìn)行一定的校準(zhǔn)。因此，校準(zhǔn)和補(bǔ)償步驟越來(lái)越多地被看成是傳感器制造商必須提供的嵌入式功能。

低成本、高性能如何兼得？戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣導(dǎo)展示標(biāo)準(zhǔn)范例

在保證精度性能的同時(shí)，傳感器制造商還需要考慮的就是更小尺寸和更低成本。不得不承認(rèn)以降低成本為主要目標(biāo)的MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常會(huì)犧牲性能，有時(shí)甚至?xí)?yán)重削弱性能。例如縮小硅片質(zhì)量和用塑料封裝消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品等，對(duì)MEMS性能有很大的不利影響。

不過(guò)我們可以做一些簡(jiǎn)單的選擇來(lái)避免這一情況的發(fā)生，比如我們了解要從微機(jī)電器件提取精確穩(wěn)定的信息，必須有很高的信噪比，而信噪比是由硅片面積和厚度決定的，另外還要選擇適當(dāng)?shù)钠骷庋b和系統(tǒng)外殼，使硅片受到的應(yīng)力最小。在一開(kāi)始定義傳感器時(shí)便牢記最終應(yīng)用的性能要求，據(jù)此優(yōu)化硅片、集成、封裝、測(cè)試和校準(zhǔn)方法，使得在復(fù)雜環(huán)境下也能維持原有性能，并且使成本最低。所以針對(duì)性能的設(shè)計(jì)與針對(duì)成本、尺寸、功耗效率的設(shè)計(jì)并不是互相排斥的。對(duì)此，ADI推出的工業(yè)MEMS IMU ADIS16488A就是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范例。

ADIS16488A iSensor是一款戰(zhàn)術(shù)級(jí)10自由度慣性傳感器能夠適應(yīng)最苛刻的應(yīng)用，它采用僅為47 mm x 44 mm x 14 mm的模塊封裝，內(nèi)含一套完整的慣性系統(tǒng)，一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器。每個(gè)慣性傳感器都實(shí)現(xiàn)了iMEMS技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動(dòng)態(tài)性能。不僅如此，工廠(chǎng)校準(zhǔn)針對(duì)各傳感器的靈敏度、偏置、對(duì)準(zhǔn)和線(xiàn)性加速度（陀螺偏置）進(jìn)行校準(zhǔn)，所以各傳感器均有其自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可提供精確的傳感器測(cè)量。

ADIS16488A功能框圖

ADIS16488A MEMS IMU 高性?xún)r(jià)比和成熟的高性能及可靠性

值得一提的是， 與復(fù)雜且昂貴的分立設(shè)計(jì)方案相比，ADIS16488A為精確的多軸慣性檢測(cè)與工業(yè)系統(tǒng)的集成提供了簡(jiǎn)單而高效的方法。所有必需的運(yùn)動(dòng)測(cè)試及校準(zhǔn)都是工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的一部分，大大縮短了系統(tǒng)集成時(shí)間，嚴(yán)格的正交對(duì)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)。此外，SPI和寄存器結(jié)構(gòu)針對(duì)數(shù)據(jù)收集和配置控制提供簡(jiǎn)單的接口，以及10自由度高性能傳感適合苛刻的消防救援類(lèi)應(yīng)用和商業(yè)航空電子設(shè)備等。

結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)全球智能化的時(shí)代，要想顯著提高資源效率、設(shè)備精度和安全性，一項(xiàng)合適的檢測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵。ADI MEMS IMU通過(guò)指出設(shè)備精確地點(diǎn)或維持精準(zhǔn)定位來(lái)增強(qiáng)信息的質(zhì)量和利用率，推動(dòng)著這些效益的變現(xiàn)。此外，其在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)滿(mǎn)足了必要的尺寸和成本效率要求，也讓因?yàn)橄M(fèi)類(lèi)慣性傳感器而對(duì)整個(gè)慣性傳感器技術(shù)失去信心的人重新看到其潛力所在。