MEMS惯性传感器如何解决空间和运动迷失方向的问题

本文介绍了空间和运动迷失方向的问题。它还包括微机电（MEMS）惯性传感器在解决此问题上的作用。此外，它讨论了阻碍MEMS收集可能实现的最准确数据的最常见障碍。

儿童和狗可以轻松地定向自己并控制体操运动。有些人可能认为这就像“玩耍的孩子”一样容易，直到他们试图使机器或机器人复制这一壮举。以人为本的系统非常复杂，当我们在地面上时，就做得很好。相反，在驾驶飞机时，我们处于陌生的三维环境中。这与减少的视觉定向线索相结合，会使空间（定向）定向变得困难或无法管理。在所有通用航空事故中，有5％至10％可归因于空间迷失方向，其中90％是致命的。

微机电（MEMS）惯性传感器通过设计对运动敏感。它们有效地检测和处理线性加速度，磁航向，高度和角速度信息。为了充分利用惯性传感器的性能潜力，设计人员必须始终了解整体机械系统，并密切注意应用中的运动源和共振。

在本文中，我们描述了MEMS惯性传感器（例如陀螺仪和加速度计）如何帮助某人或某物克服空间定向问题。我们将说明外力和运动将如何影响系统运行，以及组件的放置和安装条件（空间关系）如何直接影响MEMS惯性传感器的性能。考虑到许多潜在的系统配置（例如，电路板尺寸，材料，安装方法），设计人员需要针对每种应用调整独特的解决方案。我们展示了如何做到这一点：检测和减轻错误的惯性信号。我们提出了一些切实可行的建议，以增强传感器系统的运行，在实际环境中以及何时出现不期望的机车信号和系统共振的情况下。

了解平衡，人类，

我们首先讨论平衡。考虑一下人耳。在图1中，耳蜗是听力的器官。耳鼓通过我们身体上一些最小的骨头摇动耳蜗。耳蜗含有很少的毛发或纤毛，充满了液体。随着耳蜗的移动，流体不会因为惯性而移动。纤毛感觉到这种运动差异，并将神经冲动传递给我们的大脑，这些冲动被解释为声音。

人耳还包含用于平衡（也称为平衡）的运动检测系统。三个半圆管的功能类似于垂直陀螺仪，可检测并发送有关人的平衡状态的冲动信号到大脑。不幸的是，我们感知运动的方式是有限的。

如果运动小于每秒约2度，我们将忽略它。如果平稳运动的时间超过20到25秒，我们将停止感测运动。这些人为限制会引起混乱。内耳还有另外两个感觉器官：囊细胞感觉到线性加速度，而球囊感觉到重力。耳朵中的所有五个传感器通过告知大脑有关身体的位置和运动来帮助我们达到平衡或平衡。这与我们的眼睛一起，可以帮助我们保持平衡，并在头部移动或身体旋转时将眼睛聚焦在一个物体上。

MEMS惯性传感器需要救援

人体可能会上当，在某些情况下，必须依靠外部帮助来保持良好的平衡。MEMS惯性传感器具有人体对空间定向的敏感性，因此提供了一种解决方案。正确安装的惯性传感器可用于建立惯性框架参考，帮助用户识别方向和/或运动。使用这些设备可以避免潜在的有缺陷的感知。

为了确保惯性传感器的运行坚固性，必须正确安装和定向它们。组装惯性传感器有良好的设计规范，如果正确应用，它们会产生高性能的系统。

放置注意事项

让我们从定位开始。相对于某些基准放置惯性传感器（通常参考选定的PCB侧面完成），并通过表面安装回流工艺保持该定位是一项艰巨的工作。此外，组装的每个级别（传感器到封装，封装到PCB，PCB到外壳等）都会增加对准误差。由于传感器组件的方向（相对于惯性框架）决定了系统的精度，因此必须将此处的任何错误最小化。图2说明了不完全定向的误差。软件可以校准失准，但是如果此误差源不受限制，则高阶效应可能会降低传感器性能。

热机械应力是错误的隐患。它会以惯性传感器上的热梯度形式暴露自己，从而引起封装应力，而PCB中的热梯度会使其自身暴露出来，从而将应力传递给惯性传感器。这些热效应有时难以区分，并且在某些情况下都同时存在。结果就是封装应力，这可能会导致偏置（即偏移）和灵敏度性能误差。理想情况下，重要的发热设备的位置应远离惯性传感器，这在我们紧凑的PCB设计领域有时很难满足。无论如何，必须尽一切努力将惯性传感器放置在远离热源的位置，以最大程度地减小温度梯度。

机械系统注意事项
外部运动源（例如，惯性信号，冲击，振动）可能会无意间引起PCB谐振。在最坏的情况下，可能会出现虚拟惯性信号，这些信号是系统共振的产物。这些错误信号充当噪声，掩盖了感兴趣的信号（例如，机车和/或振动的信号）。当发生共振条件时，相对于PCB上波谷波峰位置的惯性传感器位置可能会导致信号检测性能下降。

图3显示了惯性传感器在PCB上的两种可能的放置方式，并突出显示了主谐振模式。左下位置在（蓝绿色）节点区域中显示一个传感器。与位于PCB右上方的传感器相比，这是减轻与共振相关的角速率信号的地方。第二个惯性传感器位于节点区域和倾斜到波谷之间的边缘上（以深蓝色显示），该传感器处于不平衡位置，在激发共振条件下更容易产生加速度和角速率信号损坏。

尽管有许多技术可以减轻PCB的共振（例如，电路板加固，系统阻尼，隔振），但应该对整个机械系统进行全面分析。应该执行有限元分析（FEA）以识别所有潜在的共振模式及其相关的频率和Qs。然后可以实施好的设计技术来增强性能。

结论

我们研究了运动，并了解了MEMS惯性传感器对克服空间定向的重要性。我们还讨论了MEMS惯性传感器的性能如何因不良和非理想的放置，安装条件以及系统谐振而受到负面影响。

Maxim Integrated提供具有高精度和稳定性的惯性传感器产品。例如，MAX21100是单片式3轴陀螺仪，外加3轴加速度计惯性测量单元（IMU），集成了9轴传感器融合技术，采用了专有的运动合并引擎（MME）。该设备非常适合手机和平板电脑应用，游戏控制器，运动遥控器和其他消费类设备。

通过遵循适当的设计考虑，您可以“导航”这些“多岩石的”事件，并获得MEMS惯性传感器所期望的性能。

编辑：hfy