高性能慣性傳感器推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)

隨著高質(zhì)量傳感器、可靠連接和數(shù)據(jù)分析的激增，創(chuàng)造新的工業(yè)效率，使這些智能節(jié)點(diǎn)越來(lái)越自主和移動(dòng)也帶來(lái)了額外的好處。在這些情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)的精確運(yùn)動(dòng)捕捉和位置跟蹤成為應(yīng)用成功的核心。然后，智能農(nóng)場(chǎng)能夠協(xié)同利用自主陸地和空中車輛，根據(jù)豐富的地理定位傳感器內(nèi)容和分析學(xué)習(xí)更有效地指導(dǎo)地面操作。智能手術(shù)室將經(jīng)典的導(dǎo)航技術(shù)帶到手術(shù)臺(tái)上，用于精確引導(dǎo)的機(jī)械臂，采用傳感器融合來(lái)確保在所有條件下的準(zhǔn)確引導(dǎo)。在許多領(lǐng)域，基于運(yùn)動(dòng)的傳感器成為移動(dòng)應(yīng)用的價(jià)值倍增器。

消費(fèi)者慣性傳感器在移動(dòng)電話中的無(wú)處不在，導(dǎo)致人們對(duì)其準(zhǔn)確性的看法普遍不盡如人意，因此，迄今為止，在推動(dòng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）的概念方面一直無(wú)效。然而，新一代高性能工業(yè)傳感器能夠支持亞度指向精度和精確的地理位置，同時(shí)還提供必要的尺寸和成本效率，現(xiàn)在已準(zhǔn)備好推動(dòng)IoMT向前發(fā)展。

工業(yè)系統(tǒng)中智能傳感的驅(qū)動(dòng)因素

工業(yè)機(jī)械和工藝領(lǐng)域最有價(jià)值的進(jìn)步集中在有形的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)上，這些優(yōu)勢(shì)通常會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)施挑戰(zhàn)，而這些優(yōu)勢(shì)反過(guò)來(lái)又會(huì)轉(zhuǎn)化為新的解決方案方法和商業(yè)模式。三個(gè)這樣的系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)因素是追求資源效率、關(guān)鍵精度和提高安全性。關(guān)注這些增強(qiáng)功能的應(yīng)用程序分布在各行各業(yè)，涵蓋空中/陸地/海上、室內(nèi)/室外、短期/長(zhǎng)期和人/機(jī)器，但無(wú)論如何，它們都依賴于共同的屬性;即精度、可靠性、安全性以及智能處理和分析，如表 1 所示。

表 1.IoMT 應(yīng)用中有價(jià)值的系統(tǒng)屬性轉(zhuǎn)化為具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)需求

多種類型的傳感器成為目標(biāo)應(yīng)用設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。所解決設(shè)計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜性導(dǎo)致需要仔細(xì)考慮傳感器質(zhì)量和在廣泛變化條件下的魯棒性。雖然一些行業(yè)可能出于方便而選擇傳感器（例如，利用手機(jī)中已有的傳感器套件），但其他行業(yè)將從頭開(kāi)始定義傳感器套件，根據(jù)精度選擇它們并智能地組合它們，以允許全面可靠地覆蓋預(yù)期的系統(tǒng)狀態(tài)。

智能傳感

憑借豐富的傳感器環(huán)境，這些智能且可訪問(wèn)的系統(tǒng)正在徹底改變?cè)境墒斓男袠I(yè)，將農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苻r(nóng)業(yè)，將基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑A(chǔ)設(shè)施，將城市轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艹鞘?。隨著傳感器的部署以在這些環(huán)境中收集相關(guān)的上下文信息，數(shù)據(jù)庫(kù)管理和通信出現(xiàn)了新的復(fù)雜性，不僅需要傳感器到傳感器的復(fù)雜融合，還需要跨平臺(tái)和跨時(shí)間的復(fù)雜融合（例如：基于云的基礎(chǔ)設(shè)施狀況隨時(shí)間變化的分析、去年的作物產(chǎn)量或交通狀況和模式），如圖 1 所示。

圖1.新興的工業(yè)要求結(jié)合了情境化、運(yùn)動(dòng)感測(cè)和多層融合。

從設(shè)備和環(huán)境中可靠地提取信息的分辨率成為衡量這些新企業(yè)最終效用和增長(zhǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)確性推動(dòng)效率，轉(zhuǎn)化為必要的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也是安全可靠運(yùn)行的核心。雖然使用最基本的傳感器可以添加簡(jiǎn)單的功能，但在主題 IoMT 應(yīng)用中，這種最小的附加值不足，其中是/否、上/下或開(kāi)/關(guān)被無(wú)限精細(xì)的分辨率所取代，以及添加對(duì)傳感器選擇的影響。

運(yùn)動(dòng)的重要性

在大多數(shù)情況下，物聯(lián)網(wǎng)是運(yùn)動(dòng)的。即使不是固定式工業(yè)安全攝像頭，精確指向仍然是必不可少的，或者了解不需要的運(yùn)動(dòng)（篡改）可能是有價(jià)值的。如果在崎嶇的飛行條件下可以保持準(zhǔn)確的指向角度，則使用光學(xué)有效載荷捕獲作物圖像的無(wú)人機(jī)可以更好更快地提供結(jié)果，如果對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的地理映射，則可以對(duì)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)進(jìn)行歷史比較。智能車輛，無(wú)論是陸基、空中還是海上，都越來(lái)越依賴GPS制導(dǎo)。然而，GPS也越來(lái)越受到威脅，無(wú)論是有意還是自然（建筑物，樹(shù)木，隧道等）。如果精確選擇，額外的傳感器可以在兩次停電之間可靠地進(jìn)行航位推算。表 2 提供了將 M 放入 IoMT 的事物示例，指出該動(dòng)議與應(yīng)用程序效用的相關(guān)性。

表 2.了解甚至缺乏運(yùn)動(dòng)對(duì)于許多應(yīng)用的成功至關(guān)重要

如果有機(jī)會(huì)和手段來(lái)捕捉設(shè)備或人的自然慣性，并且能夠?qū)⑵渑c可用的上下文信息適當(dāng)?shù)厝诤?，那么提取的系統(tǒng)狀態(tài)知識(shí)的重要性就會(huì)增強(qiáng)。如表 3 所示。

表 3.位置傳感作為物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值倍增器

可靠、安全的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

IoMT 節(jié)點(diǎn)輸出的有效性和價(jià)值主要取決于核心傳感器的質(zhì)量及其以高保真度捕獲應(yīng)用程序上下文的能力。然后，融合處理對(duì)于持續(xù)的傳感器校正/增強(qiáng)和理想的傳感器間狀態(tài)動(dòng)態(tài)（例如，在任何給定時(shí)間點(diǎn)哪個(gè)傳感器最可靠）是必要的。應(yīng)用程序級(jí)處理分層到解決方案中，并根據(jù)環(huán)境的具體情況（包括適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件）進(jìn)行優(yōu)化。雖然是自主的，但在某些情況下，這些節(jié)點(diǎn)正在協(xié)同工作，例如在陸地或空中的成群的無(wú)人駕駛車輛中。在這些情況下，部署安全通信鏈路，強(qiáng)調(diào)可靠的傳輸和受保護(hù)的唯一身份，如圖2所示。

圖2.連接和安全的傳感器結(jié)合了上下文和位置。

傳感器是自主性的核心

與人體一樣，自主 IoMT 節(jié)點(diǎn)依靠多個(gè)傳感輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的意識(shí)，以獨(dú)立行動(dòng)并優(yōu)化其對(duì)隨機(jī)甚至混亂事件的結(jié)果，最終隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)。如表4所示，從基本測(cè)量到控制再到自主的過(guò)渡需要在傳感器合并級(jí)別以及嵌入式智能方面提高復(fù)雜性。由于這些節(jié)點(diǎn)也實(shí)現(xiàn)了高水平的互連和自適應(yīng)學(xué)習(xí)，它們趨向于人與機(jī)器的融合。

表 4.從高質(zhì)量傳感器的基礎(chǔ)開(kāi)始，不斷提高集成度和智能度推動(dòng)自主性和人機(jī)融合

沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的位置

GPS無(wú)處不在，除非有衛(wèi)星阻塞或中斷。如果可訪問(wèn)，無(wú)線測(cè)距技術(shù)可以精確。磁場(chǎng)讀數(shù)始終存在，即使不受干擾。慣性是獨(dú)特的自力更生。顯然，慣性MEMS傳感器有其自身的缺陷（漂移），但這些缺陷是可控的，新一代工業(yè)慣性測(cè)量單元（IMU）在小型、經(jīng)濟(jì)高效的封裝中提供了前所未有的穩(wěn)定性。

慣性MEMS器件利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝、精密封裝和集成方法來(lái)直接感測(cè)、測(cè)量和解釋其運(yùn)動(dòng)，通常以線性加速度（g）或角旋轉(zhuǎn)（°/sec或速率）的形式出現(xiàn)，如圖3所示。由于除了最良性的應(yīng)用程序之外，所有應(yīng)用程序都具有所謂的多個(gè)自由度（本質(zhì)上，運(yùn)動(dòng)可以在任何和所有軸上，并且設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對(duì)不受約束），因此必須捕獲x，y和z中每個(gè)的g和速率測(cè)量值;或者，在某些情況下，稱為橫滾軸、俯仰軸和偏航軸。這些組合起來(lái)有時(shí)被稱為六個(gè)自由度慣性測(cè)量單位。

雖然經(jīng)濟(jì)性自然會(huì)促使MEMS設(shè)計(jì)人員在每個(gè)軸（x，y，z）上使用最少的硅面積來(lái)提取這些多種傳感類型（g，速率），但為了滿足更具挑戰(zhàn)性的工業(yè)傳感配置文件，需要更謹(jǐn)慎地平衡性能設(shè)計(jì)視圖。事實(shí)上，有些MEMS結(jié)構(gòu)試圖用一個(gè)MEMS質(zhì)量測(cè)量所有六種模式。在研究這種高性能傳感方法的有效性之前，重要的是要了解，雖然有些運(yùn)動(dòng)需要MEMS器件捕獲，但同樣重要的是，同一器件能夠消除（或不擾）轉(zhuǎn)化為誤差的其他形式的運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)陀螺儀測(cè)量角速率時(shí)，它也應(yīng)該能夠忽略加速度或引力對(duì)角速率測(cè)量的影響。一個(gè)簡(jiǎn)單的MEMS器件試圖用一個(gè)小結(jié)構(gòu)測(cè)量一切，本質(zhì)上（根據(jù)設(shè)計(jì)）也完全容易受到這些其他分散注意力的誤差源的影響，并且無(wú)法區(qū)分想要的運(yùn)動(dòng)和不需要的運(yùn)動(dòng)。最終，這會(huì)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航或指向應(yīng)用程序中的噪聲和錯(cuò)誤。

為了使 IoMT 在需要時(shí)兌現(xiàn)其寶貴的資源效率、安全性增強(qiáng)或關(guān)鍵精度的承諾，它需要比當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備中無(wú)處不在的簡(jiǎn)單傳感器更高的精度水平。性能設(shè)計(jì)意味著獨(dú)立設(shè)計(jì)每種傳感模式和每個(gè)傳感軸，但著眼于融合和集成。最后，重要的是要知道，為性能而設(shè)計(jì)不必以犧牲成本效益為代價(jià)。

功能或性能

一些應(yīng)用可能意味著功能添加（用于模式切換的器件的手勢(shì)/方向）具有實(shí)質(zhì)性價(jià)值，而這些功能使用簡(jiǎn)單的MEMS器件相對(duì)容易提取。工業(yè)或?qū)I(yè)設(shè)備可能更傾向于測(cè)量值，因?yàn)閹锥榷ㄏ蚓扰c亞度之間的差異或辨別能力比一個(gè)數(shù)量級(jí)更準(zhǔn)確的位置，同時(shí)還在高振動(dòng)環(huán)境中運(yùn)行。低端和高端傳感器之間的性能差異并不微妙，事實(shí)上，它們足夠大，值得在選擇組件時(shí)仔細(xì)考慮。

最終應(yīng)用將決定所需的精度水平，所選傳感器的質(zhì)量將決定這是否可實(shí)現(xiàn)。表5對(duì)比了兩種解決方案選項(xiàng)，說(shuō)明了傳感器選擇不僅對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程，而且對(duì)設(shè)備精度的重要性。如果低精度傳感器僅在有限的情況下依賴，并且應(yīng)用具有容錯(cuò)能力，換句話說(shuō)，如果它不是安全或生命關(guān)鍵型傳感器，或者相對(duì)不精確的精度足夠好，那么它實(shí)際上可能是合適的。盡管大多數(shù)消費(fèi)級(jí)傳感器具有低噪聲并且在良性條件下表現(xiàn)良好，但它們不適用于受動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)（包括振動(dòng)）影響的機(jī)械，在低性能慣性測(cè)量單元中，振動(dòng)無(wú)法與所需的簡(jiǎn)單線性加速度或傾斜測(cè)量分開(kāi)。為了在工業(yè)環(huán)境中工作時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于一度的精度，該選擇側(cè)重于專門設(shè)計(jì)用于抑制振動(dòng)或溫度影響引起的誤差漂移的傳感器。這樣，這種高精度傳感器就能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)支持更大范圍的預(yù)期應(yīng)用狀態(tài)。

表 5.傳感器的質(zhì)量，而不是傳感器融合的復(fù)雜性，驅(qū)動(dòng)著精度和實(shí)用性

精密儀器儀表的設(shè)計(jì)人員通常最感興趣的是使用慣性測(cè)量單元（IMU），它輸出校準(zhǔn)的g和速率，而不是角度或行進(jìn)距離，因?yàn)檫@種系統(tǒng)級(jí)信息是高度特定于應(yīng)用的，因此是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而不是慣性傳感器設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)活動(dòng)。這產(chǎn)生的問(wèn)題是，例如，從慣性傳感器規(guī)格表中辨別指向精度。

在表6中，顯示了中級(jí)工業(yè)設(shè)備的規(guī)格與移動(dòng)電話中的典型消費(fèi)類傳感器的比較。請(qǐng)注意，還提供更高端的工業(yè)設(shè)備，比所示設(shè)備好一個(gè)數(shù)量級(jí)。大多數(shù)低端消費(fèi)類器件不提供參數(shù)規(guī)格，如線性加速度效應(yīng)、振動(dòng)校正、角度隨機(jī)游走和其他參數(shù)，這些參數(shù)實(shí)際上可能是工業(yè)應(yīng)用中最大的誤差源。

表 6.工業(yè)MEMS器件可對(duì)所有已知的潛在誤差源進(jìn)行廣泛的表征，并且與消費(fèi)電子器件相比，精度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上

該示例工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)用于預(yù)期相對(duì)快速或極端運(yùn)動(dòng)（2000°/秒，40 g）的場(chǎng)景，其中寬帶寬傳感器輸出對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)辨別也至關(guān)重要。需要工作期間的最小失調(diào)漂移（運(yùn)行穩(wěn)定性），以減少對(duì)更大套件互補(bǔ)傳感器的依賴來(lái)校正性能，并且在某些情況下，在無(wú)法承受后端系統(tǒng)濾波校正所需時(shí)間的應(yīng)用中，最小化導(dǎo)通漂移（可重復(fù)性）至關(guān)重要。低噪聲加速度計(jì)與陀螺儀配合使用，以幫助區(qū)分和校正任何與g相關(guān)的漂移。

陀螺儀傳感器實(shí)際上設(shè)計(jì)用于直接消除任何g事件（振動(dòng)，沖擊，加速度，重力）對(duì)設(shè)備偏移的影響，從而在線性g項(xiàng)中提供了實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)，并且通過(guò)校準(zhǔn)，溫度漂移和對(duì)準(zhǔn)都得到了糾正。如果沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)校正，典型的多軸MEMS器件，即使集成到單個(gè)硅結(jié)構(gòu)中，也可能錯(cuò)位，成為誤差預(yù)算的主要貢獻(xiàn)者。

雖然近年來(lái)噪聲在傳感器類別中變得不那么重要，但線性g效應(yīng)和未對(duì)準(zhǔn)等參數(shù)，無(wú)論是通過(guò)硅設(shè)計(jì)方法還是通過(guò)特定部件的校準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)的成本最高，在簡(jiǎn)單或相對(duì)靜態(tài)的運(yùn)動(dòng)測(cè)定之外，它們成為任何應(yīng)用中的噪聲加法器。

傳感器融合可以修復(fù)質(zhì)量差的傳感器嗎？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，沒(méi)有。傳感器融合是相對(duì)于環(huán)境、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和應(yīng)用程序狀態(tài)合并或管理傳感器組合的過(guò)濾和算法。它可以提供確定性校正，例如溫度補(bǔ)償，并且它將根據(jù)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。但是，它不能解決傳感器固有的缺陷。

傳感器融合設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的任務(wù)是首先深入了解應(yīng)用狀態(tài)，以推動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程的其余部分。為給定應(yīng)用選擇合適的傳感器之后，進(jìn)行詳細(xì)分析，以了解它們?cè)谡麄€(gè)任務(wù)的不同階段的權(quán)重（相關(guān)性）。在行人航位推算的例子中，解決方案主要取決于可用設(shè)備（例如，智能手機(jī)中的嵌入式傳感器），而不是性能設(shè)計(jì)。因此，嚴(yán)重依賴GPS和其他可用的傳感器，如嵌入式慣性和磁性傳感器，對(duì)確定有用位置信息的任務(wù)僅提供一小部分貢獻(xiàn)。這在室外工作得相當(dāng)好，但在具有挑戰(zhàn)性的城市環(huán)境或室內(nèi)，GPS不可用，并且其他可用傳感器的質(zhì)量很差，留下了很大的差距，或者換句話說(shuō)，位置信息質(zhì)量的不確定性。盡管通常采用先進(jìn)的濾波器和算法來(lái)合并這些傳感器，而無(wú)需額外的傳感器或質(zhì)量更好的傳感器，但該軟件實(shí)際上幾乎沒(méi)有縮小不確定性差距，這最終會(huì)顯著降低報(bào)告位置的置信度。圖 4 從概念上對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

圖4.應(yīng)用級(jí)精度由傳感器質(zhì)量決定，而不是由傳感器融合復(fù)雜程度決定。

與此形成鮮明對(duì)比的是，工業(yè)航位推算方案是為性能而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)定義和組件選擇以特定的精度要求為指導(dǎo)。質(zhì)量明顯更好的慣性傳感器使它們能夠發(fā)揮主要作用，并小心利用其他傳感器來(lái)縮小不確定性差距。從概念上講，算法更側(cè)重于傳感器之間的最佳權(quán)重、切換和互相關(guān)，以及對(duì)環(huán)境和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的感知，而不是推斷/估計(jì)可靠傳感器讀數(shù)之間的位置。

這兩種情況下的精度都可以通過(guò)改進(jìn)質(zhì)量的傳感器來(lái)提高，雖然傳感器濾波和算法是解決方案的關(guān)鍵部分，但它們本身并不能消除有限質(zhì)量傳感器的覆蓋范圍差距。

新型工業(yè)傳感器提供的性能幾乎與前幾代用于引導(dǎo)導(dǎo)彈的性能相當(dāng)。這些新一代工業(yè)傳感器采用傳感器架構(gòu)，最初設(shè)想用于汽車應(yīng)用中的可靠和精確使用，并建立在經(jīng)濟(jì)可行且可擴(kuò)展的工藝之上，在性能成本和性能尺寸比方面完全獨(dú)一無(wú)二，如圖5所示。

圖5.工業(yè)六自由度IMU ADIS1647x和ADIS1646x，即使在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)高精度。

精密運(yùn)動(dòng)傳感不再孤立于利基應(yīng)用，這些應(yīng)用別無(wú)選擇，只能投資昂貴的跟蹤解決方案。憑借微型 IMU 外形尺寸的工業(yè)級(jí)精度，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以通過(guò)集成高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)傳感，結(jié)合嵌入式上下文傳感來(lái)實(shí)現(xiàn) IoMT，從而增加他們提供的價(jià)值。

審核編輯：郭婷