慣性傳感器在運(yùn)動(dòng)感應(yīng)游戲中的應(yīng)用

一旦降級(jí)到航空航天應(yīng)用，如高度和航向參考系統(tǒng)，慣性傳感器 - 通常在高度集成的慣性測量單元（IMU）中找到，它結(jié)合了陀螺儀，加速度計(jì)，磁力計(jì)和壓力傳感器 - 正在尋找高級(jí)游戲的新生命

慣性傳感器檢測和測量加速度，傾斜，沖擊，振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)和多自由度（DoF）運(yùn)動(dòng)。直到最近，它們主要用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）作為導(dǎo)航技術(shù)，其中由加速度計(jì)和陀螺儀提供的測量跟蹤物體相對(duì)于已知起始點(diǎn)，方向和速度的位置和取向。他們?cè)?jīng) - 并且 - 被用于飛機(jī)，戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈，航天器，潛艇和船舶等大型應(yīng)用中。

然而，MEMS技術(shù)的進(jìn)步使得小型INS單元的制造成為可能。它們?cè)诟鄳?yīng)用中的使用，包括那些涉及動(dòng)作捕捉的應(yīng)用。手勢識(shí)別界面就是一個(gè)很好的例子。定義的手勢（例如輕擊，雙擊或搖動(dòng)）允許用戶激活不同的功能或調(diào)整游戲控制器的操作模式。在工業(yè)中，手勢識(shí)別還使得設(shè)備在物理按鈕和開關(guān)難以操作的地方更加可用。無按鈕設(shè)計(jì)還可以降低整體系統(tǒng)成本，同時(shí)提高最終產(chǎn)品的耐用性，例如水下相機(jī)，按鈕周圍的開口會(huì)讓水滲入相機(jī)機(jī)身。

運(yùn)動(dòng)感應(yīng)游戲在早期的世嘉和索尼PlayStation游戲中都可以看到，但真的與Ninetendo Wii一起蓬勃發(fā)展。隨著微軟Kinect外設(shè)的第一次無控制器游戲，行業(yè)迅速升溫，傳感器用于游戲之外的各種應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備。

繼Wii之后，然后是Kinect， Razer Hydra，也稱為Sixense TrueMotion，是傳感器實(shí)現(xiàn)的最新破壞性游戲技術(shù)。設(shè)計(jì)用于無線運(yùn)動(dòng)和方向檢測游戲控制器，它使用磁場可穿戴物體來檢測控制器的絕對(duì)位置和方向;它可以全3D實(shí)時(shí)跟蹤控制器上的玩家雙手，并具有精確的10毫秒刷新率。該控制器具有6個(gè)DoF和1 mm和1度的驚人精度。

一些良好的慣性傳感器選項(xiàng)

探索慣性傳感選項(xiàng)的設(shè)計(jì)人員將在單個(gè)封裝中找到更多傳感器而不會(huì)受到影響關(guān)于性能，小外形尺寸，熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，軟件兼容性以及增強(qiáng)的用戶體驗(yàn)，例如游戲控制中的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)真實(shí)感。

STMicroelectronics INEMO-M1系統(tǒng)就是一個(gè)例子。板（SoB）集成了多個(gè)傳感器（加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)）。作為iNEMO模塊系列中最小的9軸SoB，它集成了6軸地磁模塊，3軸陀螺儀和STM32F103 32位ARM Cortex-M3 32位MCU。該系統(tǒng)級(jí)板卡在相同的占位面積和引腳排列中提供可擴(kuò)展的計(jì)算和傳感功能。 INEMO-M1可與ST的傳感器融合軟件結(jié)合使用，無縫設(shè)計(jì)高性能3D定位和動(dòng)作感應(yīng)應(yīng)用 - 這兩者在游戲和可穿戴設(shè)備中都很重要。

工程師將找到STEVAL-MKI121V1 Discovery-M1板基于INEMO-M1（圖1），可用于開發(fā)慣性傳感器應(yīng)用。 M1采用開放式架構(gòu)，因此用戶軟件可輕松訪問MCU和傳感器的外圍設(shè)備和通信接口。該架構(gòu)還減少了對(duì)額外外部組件的需求。

為了幫助用戶開發(fā)和分析，Discovery-M1演示套件包括用于傳感器輸出顯示的PC GUI和用于快速支持演示板功能使用的固件庫。

圖1：iNEMO M1開發(fā)套件允許工程師探索iNEMO模塊系列的第一個(gè)9軸運(yùn)動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)（SoB）（由STMicroelectronics提供） ST的iNEMO引擎?zhèn)鞲衅魅诤咸准捎眠^濾和預(yù)測軟件，并使用先進(jìn)的算法以獨(dú)立于環(huán)境條件的智能方式集成來自多個(gè)MEMS傳感器的輸出，以達(dá)到最佳性能。 iNEMO引擎與ST的iNEMO慣性模塊相結(jié)合，可創(chuàng)建完整且可定制的硬件/軟件多軸MEMS傳感器解決方案。

實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)融合可改善用戶體驗(yàn)，提高精度，分辨率，穩(wěn)定性和在機(jī)器人，虛擬現(xiàn)實(shí)和用于醫(yī)療，健身，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和分析以及游戲的可穿戴傳感器等應(yīng)用中的響應(yīng)時(shí)間。

另一個(gè)很好的例子是ADI公司的ADIS16407 iSensor器件，一個(gè)完整的慣性系統(tǒng)包括三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，三軸磁力計(jì)和壓力傳感器。每個(gè)傳感器都將供應(yīng)商的iMEMS技術(shù)與信號(hào)調(diào)理相結(jié)合，以獲得最佳性能。工廠校準(zhǔn)表征每個(gè)傳感器的靈敏度，偏置，對(duì)齊和線性加速度。因此，每個(gè)傳感器都有自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，以提高精度。

圖2：ADI公司的ADIS16407為設(shè)計(jì)人員提供了完整的功能慣性系統(tǒng)（由ADI公司提供）。

ADIS16407為集成精確的多軸慣性傳感提供了一種簡單，經(jīng)濟(jì)的方法，特別是考慮到與分立設(shè)計(jì)相關(guān)的復(fù)雜性和投資。所有必要的運(yùn)動(dòng)測試和校準(zhǔn)都是工廠生產(chǎn)過程的一部分，縮短了系統(tǒng)集成時(shí)間。 SPI和寄存器結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)收集和配置控制提供了簡單的接口。 ADIS16407采用大約23 mm×23 mm×23 mm的模塊封裝，并具有標(biāo)準(zhǔn)連接器接口。

功能包括三軸數(shù)字陀螺儀，數(shù)字范圍縮放±75°/秒，±150°/秒，±300°/秒設(shè)置，軸到軸對(duì)齊，<0.05°，三軸數(shù)字加速度計(jì)，±18 g最小和三軸數(shù)字磁力計(jì)，最小±2.5高斯，數(shù)字氣壓計(jì)，10 mbar至1200 mbar，校準(zhǔn)壓力范圍為300 mbar至1100 mbar。無需外部配置命令即可實(shí)現(xiàn)自主操作和數(shù)據(jù)采集。

該器件快速響應(yīng)：ADI公司聲稱啟動(dòng)時(shí)間為210 ms，睡眠模式恢復(fù)時(shí)間為4 ms。它具有工廠校準(zhǔn)的靈敏度，偏置和軸向?qū)?zhǔn)，校準(zhǔn)溫度范圍為-40°C至+ 85°C。還包括SPI兼容的串行接口，嵌入式溫度傳感器以及可編程操作和控制。

傳感器驅(qū)動(dòng)的顛覆性技術(shù)將在未來繼續(xù)成為游戲的一部分。自2006年和2010年成立以來，已有超過9000萬臺(tái)Nintendo Wii設(shè)備和1000萬臺(tái)微軟Xbox 360 Kinect控制臺(tái)進(jìn)入家庭，游戲技術(shù)發(fā)展正在加速而不是放緩。

更高傳感器融合和測量單元模塊的高級(jí)集成可能是新游戲系統(tǒng)的核心。來自YEI Technology的PrioVR游戲套裝（圖3）使用高性能慣性傳感器提供360度低延遲，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤，無需相機(jī)，光學(xué)系統(tǒng)，視線或大型，尷尬的設(shè)備。

圖3：PrioVR的傳感器放置在游戲者身體的關(guān)鍵點(diǎn)上，以捕捉動(dòng)作并在屏幕上實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。 PrioVR是無線的，允許多個(gè)同時(shí)用戶，并且可以在室內(nèi)或室外，任何大小的捕獲空間中工作。