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高性能惯性检测解决方案助力自主式机器应用

2017年03月10日 17:42 次阅读

无论是在制造业、农业、物流业、能源业、汽车业还是无人机行业,机械自动化都有望显著提高资源效率、设备精度和安全性。为实现这些效益,关键是找出合适的检测技术以增强对设备状况相关情境的了解,使得设备的地点或位置成为有价值的输入。对此,通过指出精确地点或维持精准定位,精密惯性传感器有望发挥巨大作用。在某些应用中,运动是一个重要因素,若将其位置信息和传感器情境信息相关联,将产生意义重大的价值。很多情况下,尤其是在复杂或恶劣环境下工作时,确定位置有着关键性作用。运动物联网(IoMT)在实现效率大幅提升的道路上还面临着许多挑战,高性能惯性传感器将对其发展起到重要的推动作用。

传感器推动机器自动化

机械设备已从执行简单的被动测量发展到包含嵌入式控制功能,现在正进军完全自主式运作,这其中传感器发挥着重要的推动作用。无论是支持离线分析的简单测量,还是过程控制,很多此类传感器在孤立环境下都能充分有效地工作。获取实时信息的需求,加上日益丰富的检测类型和高效处理,使传感器融合——通过它能够最有效地确定与多种应用和环境状态相关的情境——取得重要进步。此外,在涉及多平台交互和需要获取历史系统状态的复杂系统中,连接技术的进步为智能程度日益提高的传感器系统提供支持,如表1所示。

表1.传感器集成和连接水平

这些已面世的智能型传感器系统正在一些所谓的成熟行业掀起革命,把农业变成智能农业,把基础设施变成智能基础设施,把城市变成智能城市。由于传感器被部署在这些环境中以收集相关的情境信息,数据库管理和通信方面出现了新的挑战,不仅要求传感器之间的融合,而且要求实现跨平台、跨时间的复杂融合(例如:对跨时间的基础设施状况、前一年的农作物产量、交通状况及模式进行基于云计算的分析),如图1所示。

图1.面向地点感知型工业智能检测的集成

在机动性很重要的情况下,需要确定情境传感器数据的地理位置。事实上,物联网很少被视为静态。工厂、田野和医院中的可移动设备能发挥更大的用处,而地理位置不动的设备的光学传感器也可能需要局部移动,比如转向和对位。运动物联网(表2)能融合情境数据和位置数据,极大地提高数据分析的价值和效益。举个例子,当分析农作物增产的机会时,试着想象比较以下两种情形:一是对每颗所种种子的温度、湿度、精确位置都了如指掌,二是仅知道种子随机播撒的农地的温度和土壤条件;显然第一种情形更有利于做出准确分析。

表2.精确定位与情境交融,实现运动物联网

智能机器中的惯性传感器

在大多数智能机器中,惯性传感器主要起到两个作用:一是设备稳定和瞄准,二是导航和制导,如图2所示(另一个重要作用是振动分析和条件监控,对此将单独说明)。GPS由于无处不在,可能被视为大多数系统的首选导航辅助手段,但在某些情况下,依赖GPS会带来一些严重问题,因为它可能会被阻挡。在GPS被阻挡期间切换到惯性检测是可行的,但要求惯性传感器质量足够好,并能在此期间提供足够高的精度。对于稳定或伺服环路,反馈机制可能要依赖惯性传感器,以使天线、吊车平台、施工刀片、农具或无人飞行器上的相机维持一个可靠的指向角。在所有这些例子中,惯性传感器的作用已不仅仅是提供有用的功能(如手机中的手势控制等),而是发展到要在异乎寻常的困难环境中提供关键精度或安全机制(参见表3)。

图2.在其他传统传感器有局限性的应用中,惯性测量单元起到关键的稳定和定位作用

表3.困难环境下的工业应用对惯性传感器提出极具挑战性的要求

传感器的质量非常重要

有一种不切实际的说法是,可以利用传感器融合算法,通过编程使技术水平很差的传感器获得良好的性能。传感器融合的确可用于某些校正,例如:利用温度传感器校正其他传感器的温漂,或利用加速度计(g)传感器校正陀螺仪的重力效应。但即使是在这些情况下,也只能依据环境来校准给定传感器,而无法提高它在校准点之间维持性能的固有能力;也就是说,只能插值而无法维持校准精度。质量较差的传感器通常会迅速漂移,如果不进行广泛和成本高昂的校准,精度会立即下降。

尽管如此,为使器件发挥最高性能,即使高质量传感器通常也需要进行一定的校准。为了以最具性价比的方式进行校准,必须了解传感器的复杂细节和运动力学的深厚知识(参见图3),更不用说需要比较独特的测试设备。因此,校准和补偿步骤越来越多地被看成是传感器制造商必须提供的嵌入式功能。

将基本检测输出转换为有用的应用级智能的第二个重要步骤是状态驱动的传感器切换。这就意味着要对应用动力学以及传感器性能有广泛深入的了解,从而最有效地在任一给定时间点确定可以利用和依赖的传感器。

图3.从惯性传感器提取有价值的应用级信息需要复杂校准和高级处理

图4中的概念示例说明了传感器融合在工业应用中的作用。这是一种精密从动工业应用,通过精心选择传感器来满足预期需求,在GPS有很大可能被阻挡,或在有复杂磁场和其他环境干扰的情况下保持运作。为此必须高度依赖无基础设施的惯性传感器,并选择其他传感辅助手段来应对特定环境挑战,帮助校正长期惯性漂移。虽然较好的做法是对传感器选择进行规划以实现所有条件下的精确跟踪,但这种做法在实际上是不可行的。因此,场景规划中仍存在一定的不确定性。已有算法来执行重要的传感器校准,以及管理应用状态驱动的复杂传感器切换。

图4.传感器融合算法依赖精密传感器,需正确选择以支持特定应用环境

归根结底,最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量将决定其能否实现。

表4.具有复杂、关键任务要求的工业应用依赖高精度传感器

表4比较了两种场景,说明了传感器选择对设计过程和设备精度均很重要。如果只在很有限的情况下依赖传感器,并且应用有较高的容错性,那么可以使用低精度传感器。换言之,如果不是安全或生命攸关的应用,相对较低的精度便足够了。虽然多数消费级传感器在有利条件下噪声很低且性能良好,但它们不适合用于动态运动(包括振动)下的机器,因为性能较低的惯性测量单元无法将动态运动与简单的线性加速度或所需的倾斜测量区分开来。在工业环境中工作时,为实现优于1度的精度,应当选择专门设计的传感器,以便抑制振动或温度影响导致的误差漂移。这种高精度传感器能够支持更大范围的预期应用状态,工作时间也更长。

高性能惯性传感器

针对性能的设计与针对成本、尺寸、功耗效率的设计并不是互相排斥的。然而,以降低成本为主要目标的MEMS结构设计通常会牺牲性能,有时甚至会严重削弱性能。为降低成本而做出的一些简单选择,例如缩小硅片质量和用塑料封装消费级产品等,对MEMS性能有很大的不利影响。为了从微机电器件(例如图5所示)提取精确稳定的信息,必须有很高的信噪比,而信噪比是由硅片面积和厚度决定的,另外还要选择适当的器件封装和系统外壳,使硅片受到的应力最小。在一开始定义传感器时便牢记最终应用的性能要求,据此优化硅片、集成、封装、测试和校准方法,使得在复杂环境下也能维持原有性能,并且使成本最低。

图5.用于确定精密运动的微机电结构

表5显示了一款中档工业器件的性能,并将其与手机等设备使用的典型消费级传感器进行比较(注意还有更高端的工业器件,其性能比表中所示高出一个数量级)。多数低端消费级器件未提供诸如线性加速度效应、振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

这款工业传感器设计用于预期会有相对迅速或极端运动(2000 °/s、40 g)的场景,宽带宽传感器输出对最佳地辨别信号也很关键。工作期间的失调漂移(运动中稳定度)应最小,以降低对一大套补充传感器(用来校正性能)的依赖。在某些情况下,应用无法为后端系统滤波校正提供所需的时间,此时必须使开机漂移(可重复性)最小化。低噪声加速度计同陀螺仪一起使用,以帮助区别并校正任何g相关漂移。

陀螺仪传感器设计用来直接消除任何g事件(振动、冲击、加速度、重力)对器件失调的影响,可大幅改善线性g。通过校准,温漂和对准均得以校正。若不进行对准校正,典型多轴MEMS器件即使集成到单片结构中,也可能有较大对准误差,使其成为误差预算的主要贡献因素。

表5.工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,通常能实现高出一个数量级或更高的精度水平

图7.消费级器件虽然成本较低,但系统层面的必要开销较高,最终会影响可靠性和性能

近年来,噪声在区分传感器级别上所起的作用有所降低。在超出简单判定或相对静止运动确定的应用中,线性g效应和对准误差之类的参数成为噪声源,通过芯片设计方法或器件专用校准来改善它们需要付出高昂的成本。表6中的使用案例比较了实际工业MEMS IMU和消费级IMU,二者均有比较好的噪声性能。然而,消费级器件并未针对振动或对准进行设计或校正。基于给出的假设,本例显示了器件规格及其对误差预算的影响。总误差为所示三个误差源的和方根,消费级器件的误差以线性g和跨轴(对准误差)为主,工业器件则实现了更好的平衡。最终,不考虑耐用性较差消费级产品的其他潜在误差源的话,二者性能相差至少20倍。

表6.在动态运动中,线性g和对准是主要误差源;工业器件平衡了所有规格以使总误差较低

抖动 =(噪声 + 振动 + 跨轴灵敏度)的和方根

假设条件:50 Hz带宽,2 g rms振动,100 °/s离轴旋转

*最佳情况:未包括其他漂移因素

系统权衡

大部分复杂运动应用需要一个全功能IMU(三轴线性加速度和三轴角速率运动)来实现充分有效的定位。当今的IMU既有芯片式(消费级),也有模块式(工业级),参见图6中的工业IMU示例。逻辑上看,消费级芯片式IMU的系统集成度似乎更高,但如果最终目标是在复杂的工业环境中精准确定运动状况,则情况正好相反。工业IMU性能优越,而且开箱即可使用。在应用的全寿命期间都能可靠地获得一致的高性能,对系统中校正的要求(如有)极低。消费级IMU看似全面集成且很完整,但其实需要大量额外时间、集成和成本(参见图7)才能勉强实现类似水平的性能(通常几乎是不可能的),而且可能永远无法实现同样可靠的运作。

图6.6 自由度惯性测量单元ADIS16460,在复杂和动态环境中也能提供高精度水平

地点感知型工业智能传感器有望大幅提升机器自动化的效率。系统的精度和可靠性主要取决于核心传感器质量,而不是其周围的系统和软件。尽管如此,围绕高质量传感器的整体集成、嵌入式软件和连接方法可帮助实现智能检测解决方案,从而大大增强信息的质量和利用率,同时又不影响同样重要的安全和可靠性。

作者简介

Bob Scannell是ADI公司MEMS惯性传感器产品的业务开发经理。他在ADI公司工作已超过20年,先后从事传感器、DSP、无线产品的各种技术营销和业务开发工作。之前他曾在Rockwell InternaTIonal公司从事设计和市场方面的工作。他拥有美国加州大学洛杉矶分校电气工程学士学位和美国南加州大学计算机工程硕士学位。

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众所周知,火灾发生时气体燃烧产物主要为CO,CO2,H2O,其产生比燃烧烟要早得多(几十分钟至几个小...

发表于 2018-03-29 16:54 586次阅读
一氧化碳传感器在火灾报警中的应用

物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一...

发表于 2018-03-29 15:51 309次阅读
物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

从最初的精工半导体事业部开始,团队坚持3个基本的理念,白井正樹称之为“3S”,即Small、Smar...

发表于 2018-03-29 09:40 193次阅读
SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

随着人类在太空中存活的时间越来越久,就会出现一个问题,那就是宇航员如何在远离蓝色星球的同时维持自己的...

发表于 2018-03-29 08:41 171次阅读
水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

不知道选择什么样的无线 耳机 ?或许 Mymanu Clik 会成为你的候选之一。这款全新的无线耳机...

发表于 2018-03-28 15:50 157次阅读
提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

物联网应用越来越广泛,针对物联网的攻击也日渐增加。市场研究机构 Gartner表示,以物联网为基础的...

发表于 2018-03-28 15:30 37次阅读
物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

教你如何使用一个分压器测量电阻

测量现实世界现象的许多传感器都以改变电阻的形式表现其输出:热敏电阻为温度敏感型电阻,应变计随作用力而...

发表于 2018-03-28 09:18 733次阅读
教你如何使用一个分压器测量电阻

集成电路模拟输入和输出进行高压瞬变保护设计

源电压可能增大并超过TVS击穿电压,一直达到最大箝位电压。该电路中的过压保护开关的反应时间约为500...

发表于 2018-03-28 08:39 681次阅读
集成电路模拟输入和输出进行高压瞬变保护设计

测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

这就是稳定时间 tS 。tS取决于每个输入节点上个别电阻器(RSENSE 和 RTD)和电容器的数量...

发表于 2018-03-28 08:36 682次阅读
测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

以色列著名研究型学府本-古里安大学(Ben-Gurion University of the Neg...

发表于 2018-03-28 04:13 53次阅读
以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

亚马逊刚刚发布了一项无人机专利,该专利可以解释手势和声音指令,理论上可以使用这种设备来传送包裹。该专...

发表于 2018-03-28 02:50 226次阅读
亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

NXP半导体家电应用市场全球高级销售总监梅润平强调称,在一台家电中实现如此广泛的产品组合,在半导体行...

发表于 2018-03-27 23:16 62次阅读
NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

大陆集团SRR3-B雷达产品专门为汽车应用而设计,如盲点检测、变道辅助、后方两侧来车警告、预防追尾、...

发表于 2018-03-27 17:36 282次阅读
大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器)是一种测量液位的压力传感器。 静压投入式...

发表于 2018-03-27 16:38 50次阅读
【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

【转帖】电流传感器和互感器

发表于 2018-03-27 15:43 34次阅读
【转帖】电流传感器和互感器

柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

柔宇科技是由IDG资本、中信资本、深圳市创新投资集团、基石资本、松禾资本、源政投资、富汇创投、Alp...

发表于 2018-03-27 15:39 731次阅读
柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

汽车雷达已经成为ADAS(高级驾驶辅助系统)的主流传感器之一。为了在最佳的传感器性能、成本和尺寸之间...

发表于 2018-03-27 15:36 264次阅读
德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

随着物联网、辅助驾驶及工业4.0等概念的深化,全球的传感器市场空间再一次被扩宽,2017年全球传感器...

发表于 2018-03-27 15:24 260次阅读
艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

“IoT应用非常细分,因为这里面有很多很多类型的传感器会被使用到。包括惯性、压力、温湿度、气体传感器...

发表于 2018-03-27 15:19 395次阅读
传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

作为小米生态链企业,小米插座的出品方,绿米科技大家都不会陌生。 绿米之前曾推出号称史上最强智能家居组...

发表于 2018-03-27 14:35 201次阅读
绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解 Zigbee 标准中的轮询特性有助于优化物联网 (IoT) 产品的功耗。本篇博文将进一步探讨 ...

发表于 2018-03-27 14:12 296次阅读
探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解车内温度是怎么通过传感器控制的

无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些...

发表于 2018-03-27 13:09 87次阅读
了解车内温度是怎么通过传感器控制的

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 225次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

温湿度传感器只是传感器其中的一种而已,只是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的...

发表于 2018-03-27 10:59 473次阅读
从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

大规模生产中如何测量触摸屏电容值

使用高分辨率SAR ADC的好处是无需模拟域的相位和幅度检测,这可以由处理器或FPGA来完成,灵活性...

发表于 2018-03-27 08:28 1889次阅读
大规模生产中如何测量触摸屏电容值

光电编码器基础--脉冲量输入

增量式光电编码器输出 A、B 两相相位差为 90°的脉冲信号(即所谓的两相正交输出信号),根据 A...

发表于 2018-03-26 15:24 244次阅读
光电编码器基础--脉冲量输入

从光电技术角度看自动驾驶

激光雷达和与之竞争的传感器技术(相机、雷达和超声波)加强了对传感器融合的需要,也对认真谨慎地选择光电...

发表于 2018-03-26 15:13 386次阅读
从光电技术角度看自动驾驶

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 201次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

无人驾驶技术主要有几种技术组成

目前无人驾驶技术的实现主要是基于激光传感技术或者是超声雷达技术等,经过十余年的研究探索,许多机构和公...

发表于 2018-03-26 13:53 352次阅读
无人驾驶技术主要有几种技术组成

ADI 最新中文资料合集来了

发表于 2018-03-26 13:33 299次阅读
ADI 最新中文资料合集来了

坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

从1985~1999年,堪称PC与互联网蓬勃兴起的时期,对我们而言,也是经济起飞的美好年代。在当时,...

发表于 2018-03-26 12:25 79次阅读
坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 70次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 89次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 70次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 70次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 72次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

扫地机器人的工作原理及传感器的作用

随着人们生活水平的提高,健康、舒适的家居环境越来越被更多的人所关注。买房、装修成为人们茶余饭后谈论...

发表于 2018-03-26 10:16 149次阅读
扫地机器人的工作原理及传感器的作用

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 70次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

当然,完整的系统测试中要比这套IR LED数组更复杂;除了相当数量的设备外,还需要更多的人员投入以及...

发表于 2018-03-26 08:36 193次阅读
如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

9个常被忽略的ADC技术指标,一起来看看!

为了降低功耗敏感型应用的功耗,器件通常在相对不用期间关断,这样做确实可以节省大量功耗,但器件重新启动...

发表于 2018-03-26 08:29 919次阅读
9个常被忽略的ADC技术指标,一起来看看!

牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

传感器由三个夹层组成,里外两层各为两个方形金属环,中间层由生物感应材料构成,生物感应材料可以有效地吸...

发表于 2018-03-25 16:43 899次阅读
牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

据Bosch Sensortec MEMS产品领域的总负责人Ralf Schellin先生指出,Bo...

发表于 2018-03-25 11:55 1591次阅读
瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

ADI出手并购雷达技术_强化汽车环境感知技术布局

ADI 收购德国慕尼黑专注于新兴无人驾驶汽车和工业应用的 RADAR 硬件和软件企业Symeo的新闻...

发表于 2018-03-25 08:36 446次阅读
ADI出手并购雷达技术_强化汽车环境感知技术布局

Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...

全球领先的人机界面解决方案开发商Synaptics(NASDAQ:SYNA)今日宣布其FS9500 ...

发表于 2018-03-24 11:56 1594次阅读
Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...