當(dāng)涉及到室內(nèi)導(dǎo)航和處理復(fù)雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時(shí)，可以使用傳感器來提高系統(tǒng)從異常運(yùn)動(dòng)中確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力。

導(dǎo)航通常與汽車、飛機(jī)和輪船有關(guān)。然而，在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，精確導(dǎo)航正變得越來越廣泛地應(yīng)用于從工廠機(jī)械和手術(shù)機(jī)器人到急救人員跟蹤的各種應(yīng)用中。有許多現(xiàn)有的方法可以得出位置、方向和運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兣c指向、轉(zhuǎn)向和引導(dǎo)設(shè)備有關(guān)。事實(shí)上，許多應(yīng)用依賴GPS（全球定位系統(tǒng)）已經(jīng)變得很普遍。但是，當(dāng)涉及到室內(nèi)導(dǎo)航和處理更復(fù)雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時(shí)，僅靠GPS是不夠的。

對于這些類型的應(yīng)用，可以使用各種傳感器類型來提高系統(tǒng)從異常運(yùn)動(dòng)中確定實(shí)際運(yùn)動(dòng)的能力。給定傳感器解決特定導(dǎo)航問題的能力不僅取決于傳感器的性能水平，還取決于應(yīng)用的獨(dú)特動(dòng)態(tài)。與任何復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題一樣，起點(diǎn)是了解最終應(yīng)用的目標(biāo)和限制。從那里，可以對關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行排序，以粗略了解所需的傳感器，然后通過仔細(xì)的傳感器調(diào)理、集成和處理進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)優(yōu)化。

了解導(dǎo)航問題

讓我們從一個(gè)類比開始：假設(shè)你在工作，想要一杯咖啡，所以你導(dǎo)航到咖啡壺。如果你以前去過那里，你會想到一條路線，但一路上你依靠各種感官來到達(dá)那里，包括視覺、音頻、平衡，甚至觸摸。您自己的個(gè)人處理器結(jié)合了這些不同的來源，以及一些嵌入式模式識別，如果這是艱難的一天，您可能需要暫停并詢問一些外部輸入，即方向。在整個(gè)過程中，您依靠您的個(gè)人傳感器不僅要單獨(dú)精確，而且可以很好地協(xié)同工作，在必要時(shí)拒絕誤導(dǎo)性信息（即鄰居隔間的咖啡味），并依賴其他傳感器。為了到達(dá)目的地，您需要采用與車輛、手術(shù)器械和機(jī)器人機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相同的技術(shù)。

本例的工業(yè)推論包括各種傳感技術(shù)，其中沒有一種技術(shù)可以單獨(dú)解決大多數(shù)應(yīng)用。如前所述，由于阻礙衛(wèi)星接收的障礙物，GPS容易出錯(cuò)，從而降低整體精度或更新速率。另一種常見的導(dǎo)航輔助設(shè)備，磁力計(jì)，需要清楚地進(jìn)入地球磁場，雖然這通常可以假設(shè)，但工業(yè)環(huán)境中存在許多場干擾，使磁力計(jì)的可靠性充其量是間歇性的。光學(xué)傳感器受到視線障礙物的影響，而慣性傳感器通常不受這些干擾，但確實(shí)有一些自身的局限性，例如，缺乏絕對參考（North在哪里？表 1 概述了主要導(dǎo)航傳感器類型的相對優(yōu)勢和潛在問題。

傳感器選擇和處理

除了最簡單的問題外，大多數(shù)解決方案都依賴于多種傳感器類型，以便在所有條件下提供所需的精度和性能。慣性傳感器，如基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的加速度計(jì)和陀螺儀，提供了完全彌補(bǔ)其他傳感器類型缺點(diǎn)的潛力，因?yàn)樗鼈儾皇茉S多相同的干擾，并且不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施（沒有衛(wèi)星，沒有磁場，沒有攝像頭......只是慣性）。

MEMS慣性傳感器具有高度可靠性（在汽車行業(yè)擁有20年的業(yè)績記錄）和具有商業(yè)吸引力，具有更低的功耗、尺寸和成本，在手機(jī)和視頻游戲中的成功應(yīng)用證明了這一點(diǎn)。但是，可用的性能水平存在很大差異，適用于游戲的設(shè)備無法解決前面概述的高性能導(dǎo)航問題。例如，精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航通常需要比消費(fèi)類設(shè)備中使用的MEMS傳感器高一個(gè)數(shù)量級的性能水平。

在大多數(shù)情況下，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對復(fù)雜（多個(gè)軸），這就推動(dòng)了對全慣性測量單元 （IMU） 的需求，該單元可以集成多達(dá)六個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)自由度——三個(gè)線性和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。

圖2.慣性測量單元捕獲復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)。

例如，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU具有大多數(shù)工業(yè)導(dǎo)航問題所需的集成度和性能，外形緊湊，適用于許多工業(yè)儀器和車輛（見圖1）。在許多情況下，還可以集成四個(gè)或更多額外的自由度，包括三個(gè)磁傳感軸和一個(gè)壓力（高度）傳感軸。

如前所述，任何傳感器類型都有局限性，如果這些限制會破壞系統(tǒng)性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以選擇同時(shí)實(shí)施補(bǔ)償技術(shù)并合并多種傳感器類型。例如，慣性測量單元輸出高度穩(wěn)定的線性和旋轉(zhuǎn)傳感器值，該值必須補(bǔ)償以下影響：

溫度和電壓漂移

偏置、靈敏度和非線性

振動(dòng)

X、Y、Z 軸未對準(zhǔn)

慣性傳感器可能具有不同程度的漂移，具體取決于其質(zhì)量，也可以使用GPS或磁力計(jì)偶爾來校正該漂移。除了良好的傳感器設(shè)計(jì)之外，導(dǎo)航的一個(gè)核心挑戰(zhàn)是確定依賴哪些傳感器以及何時(shí)依賴。慣性MEMS加速度計(jì)和陀螺儀已被證明是幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)功能齊全的傳感系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。

使用 MEMS 慣性傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)

在 GPS 信號被拒絕且機(jī)械和電子設(shè)備引入磁干擾的室內(nèi)工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員必須建立不太傳統(tǒng)的機(jī)器引導(dǎo)方法。許多新興應(yīng)用，例如手術(shù)工具導(dǎo)航，也需要比汽車導(dǎo)航更高的精度。在所有這些情況下，慣性傳感器都是一種選擇，并提供在視線阻塞或其他對非慣性傳感器有害的干擾源期間保持精度所需的航位推算指導(dǎo)。

圖 3 描述了一種通用慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS），可用于導(dǎo)航從車輛到飛機(jī)再到外科醫(yī)生工具的任何東西。INS模型包含一個(gè)卡爾曼濾波器，該濾波器首先用于阿波羅登月任務(wù)，如今在移動(dòng)通信中的鎖相環(huán)中普遍存在，以提供一種機(jī)制來合并多個(gè)良好但不完美的傳感器，并提供位置，方向和整體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的最佳估計(jì)。

圖3.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，借助卡爾曼濾波合并多種傳感器類型。

當(dāng)應(yīng)用于外科應(yīng)用時(shí)，INS可用作導(dǎo)航輔助工具，根據(jù)患者獨(dú)特的身體特征對齊人工關(guān)節(jié)，例如膝蓋或臀部。

除了更好地對齊以提高舒適度以及更快、侵入性更小的手術(shù)目標(biāo)外，正確的傳感器還可以幫助對抗手部震顫和疲勞。近年來，純機(jī)械對準(zhǔn)得到了光學(xué)對準(zhǔn)的補(bǔ)充，但就像用于車輛導(dǎo)航的GPS阻塞一樣，手術(shù)室中存在潛在的視線阻塞，限制了光學(xué)傳感器的精度。慣性引導(dǎo)的手術(shù)對準(zhǔn)工具可以補(bǔ)充甚至取代光學(xué)引導(dǎo)，沒有視線問題，并且在尺寸、成本和自動(dòng)化方面也具有潛在的優(yōu)勢。

盡管解決導(dǎo)航問題的基礎(chǔ)知識在應(yīng)用程序之間具有很大的一致性，但必須充分了解終端系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。這些最終指導(dǎo)選擇合適的傳感器類型以及整體性能。

在大力推動(dòng)用于消費(fèi)類應(yīng)用的小型、低功耗、多軸慣性傳感器的同時(shí)，一些傳感器開發(fā)人員同樣高度關(guān)注緊湊型低功耗高性能傳感器在所有條件下的高精度。這些高精度、環(huán)境穩(wěn)健的傳感器發(fā)展正在推動(dòng)MEMS慣性傳感器在工業(yè)、儀器儀表和醫(yī)療市場中的新一輪采用。

審核編輯：郭婷