标签: 运动跟踪

采用先进感应技术的运动跟踪系统在各种应用中普遍使用，从微型相机中的稳像系统至无人机中的控制与导航应用，均可看见它的身影。在工业应用中，基于 MEMS 的 IMU (MEMS-IMU) 运动感应技术是首选。基于 MEMS-IMU，其利用率之所以能不断攀升，所适用的应用也不断增多，直接得益于这种技术的多功能性——能够实现非常高的目标性能，是一种尺寸较小并具有价格竞争力的高度可靠的固态技术。对于大量的消费类应用而言，这种技术也十分具有吸引力。 由于 MEMS-IMU 运动感应技术的多面性带来了过多的可能性，它是一把双刃剑！ 尽管大量具有各种级别的性能、尺寸、集成度和成本的感应元件颇具吸引力，但对一个团队与项目的执行而言，可能会适得其反。挑选符合规格要求的 MEMS-IMU 与并从零开始进行开发极费时间和资源，最终还可能违背您的初衷。那么我们是如何根据您的应用需求，打造一款拥有不同综合性能的一流运动跟踪模块的呢？这篇博文对这个思路进行了阐释。 传感器特性与选取 从惯性传感器的集成来未应用寻找合适的技术开始。MEMS-IMU 运动传感器芯片有的每轴远低于 1 美元，而对于光学惯性传感器而言，价格范围可以达到每轴超过 100,000 美元。价格之后，则应该是应用的适用性方面。即使只是考虑单纯的 MEMS 惯性传感器，也会面临大量的选择。有的传感器具有较好的抗振性能，有的则有良好的长期稳定性，还有一些传感器可能噪音较小。关键是找到最能满足需求的传感器。 即使是对某一应用所需传感器的等级规格做个简单的了解，也可能遭遇极大的挑战。通常，应用导向的开发团队可以对需求（诸如精确定位或其他高级别的功能性规格）加以描述， 但要将它们拆分为传感器级别规格的话，往往困难得多，因为这样他们会淹没在基础技术的各项细节中，时间不够。 可以有几种方法来寻找最佳的传感器，从比较数据表至全面评定法等。因为数据表不统一而且不是每种情形都能获得数据（例如振动、横向加速度），所以经常需要采用全面评定法来指明相应的功能等级规格。其次需要了解 MEMS、传感器与传感器融合，这也需要花时间。 在 MEMS 传感器快速变化的时候，还面临另一种挑战，那就是时刻与变更、供方的EOL/PCN通知保持一致，这也会耗费掉宝贵的时间。 专用 MCU 从 MEMS 传感器取回数据是第一步。接着是找到一个 MCU 来处理这个数据。要先进行评估，然后再决定所需的 RAM（随机存储器）与程序存储，还需要了解先进的传感器融合算法知识、操作系统、驱动程序与信号处理。所选择的处理器类型对系统的架构有重大影响，如果没有设计 IMU 和相关信号处理与传感器融合的经验，这会是一个漫长而复杂的过程。 信号处理 下一个步骤是信号处理，将 MEMS 信号转换为可感应的输出信号。对于运动跟踪，用户往往青睐低带宽信号。然而，也需用高带宽来补偿振动与圆锥/划船误差。针对预期运动，需要对信号处理电路进行优化。另外，由于每个 MEMS 传感器都不同，因此每个具体的 MEMS 传感器均应有特定的信号处理电路，这样才能使其性能得到最大化的利用。设计错误的信号处理电路会给模块的输出带来负面影响。 OS驱动与通信 为实现与模块通信，主机需要配置驱动，典型的有应用处理器。这种驱动属于这类模块专用，它还应包括通信协议。需选择硬件层（例如I 2 C、SPI、UART）与通讯协议。某些模块使用的通信协议在输出配置或集成度方面比较灵活。例如， Fairchild 的 FMT1000 系列 通信协议实现的是低级二进制通信、C/C++ 接口，就像 Windows/Linux 的 DLL/.so 一样。 适用于 ARM® mbed™的示例代码。 测试与校准 在电路板上安装 MEMS 时，系统集成商会面临一些挑战。例如，焊接过程可能会影响工厂（统计）校准。安装了惯性传感器的模块不会产生这些有害影响。 在离散的惯性传感器中，校准参数为统计值。这意味着可变性非常重要。30 mg（~2 度翻转/俯仰误差）的加速度偏差在低价 MEMS 传感器中并不鲜见。尽管大部分的陀螺仪偏差处于 -5 与 5 deg/s 之间，但偏差超过 30 deg/s 也时有发生。校准可将陀螺仪偏差重复性提升至 +/- 0.5 deg/s，加速计偏差限制在 2 mg (0.1 deg 翻转/俯仰误差)内。在另一块板上安装模块不会影响校准参数。因为模块在校准过程中会同步进行测试，因此，终端用户应用的产品收得率可以大幅提高。 对于校准与测试设置的资金投入是相当大的，尤其是当每年的传感器数量（10,000 套以下/年）有限时更是如此。如果每年的需求数量在 10,000 套以下，那么测试与校准的费用已经足以证明一个较高价格的模块是值得购买的。 电子与机械设计 在很多带磁力计与敏感型 MEMS 的 IMU 设计中，不能忽视电子设计。在相对大型的 MEMS 传感器元件中，通常会对机械应力进行说明，它也需要纳入考虑范围。当 MEMS 传感器元件自身有变更时，可能需要重新设计终端用户应用的 PCB 板。一个一体化模板能解决所有的这些问题，因为其 PCB 没有发生任何接口和引脚配置变化，还能减少用户对于机械应力的计算。 传感器融合软件 可以根据应用需求，利用传感器融合软件将 MEMS 传感器数据转换为有用的定向数据。尽管融合算法在文献资料中均有记载，但它不如获取数据与使用筛选器直接。Fairchild 的 FMT1000 系列模块所使用的传感器融合算法在 Xsens 几十年的应用经验基础上视若干不同的使用情境进行了优化。Xsens 是 Fairchild 收购的一家运动追踪产品行业领先的厂商。传感器融合算法可以利用不同类别的设置来进行处理，例如动态、人体运动或高度磁依赖等。在大量的测试平台上进行性能测试的确能为多种不同的应用实现最佳的性能。使用 Fairchild 传感器融合软件的另一个好处就是传感器融合算法可以输出各种不同格式的数据，而且格式可选。例如，已经减了重力的灵活加速计、可任意调整的基准坐标系，以及多个固定点与漂浮点的输出格式。从测试包中所获得的这些资料可以在您实施项目的过程中为您节省很多时间，规避很多风险。 该运动追踪模块是以用户要求与应用需求为中心进行设计。在设计与开发过程中，从多方面充分考虑了如何打造一款具有极高耐用性和性能的运动跟踪器模块。 FMT1000 系列——为您的产品植入运动智能，使您赢在起跑线！

假如您的内耳（功能类似于陀螺仪，使您能够保持平衡）还配有罗盘，将会怎样呢？ 那样，您将会成为相当于姿态航向参考系统(AHRS)的人体，后者是一种用于确定物体在空间上位置和方向的机电装置。 AHRS在三个轴上安装了陀螺仪、加速度计和磁力计（罗盘），能够提供实时3D定向，以导航术语来说就是提供横滚、俯仰和偏航。AHRS还能提供传感器的初始数据，如3D加速度、角速度（转速）和磁场。由于能够提供所有这些信息，AHRS在开发游戏机、机器人、无人机、水下设备和涉及物理运动的其它系统上具有非常高的价值。 MEMS优势 AHRS系统虽已问世已久，但是，直到最近，这些系统一直是笨重、庞大而昂贵。得益于精密加工技术，现在可以生产传统机电设备的超微版本。这些微型结构称为MEMS（微机电系统），它们能够实现压力传感器、麦克风以及AHR中所用的陀螺仪、加速度计和磁力计等。与传统的大型同类设备相比，MEMS AHRS成本更低廉，而且精度越来越高，性能也不断提升。 MEMS AHRS将小巧、轻便、相当精确且相对低廉等诸多特性以无比诱人的方式集于一身，因此它们的应用范围远远超越了传统的AHRS。它们在需要AHRS而采用传统光学或机械方法又太过沉重、庞大或昂贵的领域呈现出喜人的发展态势。 那么，基于MEMS的运动跟踪和导航到底有多么出色呢？ 大多数MEMS陀螺仪——以及更广义上，使用它们的MEMS AHRS——都被视为“工业级”。下图简要说明了这一概念。 工业和消费应用越来越多地采用地基于 MEMS的陀螺仪 与高端应用（如海军潜艇、**和部分宇宙飞船）中的“战术级”和“战略级”设备相比，工业级陀螺仪精度较低（成本也较低），但是与“消费级”设备相比，精度则更高。消费级设备通常用于汽车子系统，如防抱死刹车、安全气囊和主动减震系统。消费级MEMS陀螺仪也开始出现在游戏控制器和娱乐系统中。您可能已经用过——这些设备存在于Nintendo® Wii™、Sony® Move和最新的iPhone®等等中。 在高端工业级设备上，新的MEMS产品几乎可与造价高昂的光纤陀螺仪(FOG)在性能上一较高下。例如，在2010年，MEMS惯量测量单元(IMU)占据了几乎40%的商用市场，而FOG仅占13%（来源：Yole Developpment）。 随着MEMS技术的持续发展，其市场占有率将进一步扩大。 详细分析 一般来说，工业级MEMS AHRS主要应用于三大市场。一个是娱乐产业，游戏开发商和好莱坞电影制作人用以支持全身动作捕捉来制造特效。另一个是运动科学，体育教练、理疗师和医生使用这一技术在运动、康复和临床应用中进行动作捕获。以及，最为广泛的一个是工业领域，可再细分为三个应用类别： 控制和稳定、测量和纠正或导航。 控制和稳定 MEMS AHRS用于控制和稳定摄像飞行器中的空中摄像机和船上的天线系统。例如，如果该平台安装在摇摆不定的轮船上或移动的监控飞行器上，AHRS可以帮助使该平台保持稳定。这一工作要求快速响应，因此典型MEMS AHRS的低延迟（不到2 ms）在此类应用中是一个极为重要的特性。 支持 GPS的MEMS AHRS控制并稳定挪威北方研究所(NORUT)的无人驾驶设备(UAV) 测量和纠正 MEMS AHRS也应用于测量和纠正，常用于成像系统，如水下声学（声呐、回音测深器）和便携式激光扫描仪。AHRS纠正声呐或激光扫描仪捕获的传感器数据，或者确定成像设备的方向。与同步GPS模块结合使用时，AHRS可以获得足够的信息，能够自动确定图像的位置。 MEMS AHRS为类人机器人“Flame”（来自代尔夫特理工大学）提供平衡感 导航 在导航中，MEMS AHRS和MEMS IMU可进行组合，作为GPS模块的备份。这样，即使GPS服务中断，系统仍可提供必要的可读信息。配备了这样的保险措施后，高动态和极端GPS条件下的导航将更为稳固可靠。同样，在GPS系统中添加MENS元件将使其高度读数精度提高一个数量级以上。 MEMS AHRS帮助导航SAROV（来自瑞典Saab Underwater的无人驾驶设备） 工作原理 从许多方面来看，陀螺仪三角架都是AHRS中最重要的部件，因为这个部件决定设备精度。陀螺仪三角架测量转速（角速度），并据此提供改变方向的数据。为了避免出现偏移，建议使用带补偿传感器的陀螺仪三角架，为其提供补偿数据。加速度计可以补偿高度（横滚/俯仰），而磁力计可以补偿航向（偏航）。由微处理器(MCU)提供支持的数字信号处理器(DSP)，可以将所有信号融合进卡尔曼滤波器。输出结果是稳定且鲁棒的3D定向。 为了进一步提高定向评估精度，有些MEMS AHRS系统使用算法进行传感器融合，以便在操作过程中评估传感器元件的校正参数。先进的AHRS系统还可集成更多传感器，如GPS接收器和气压传感器，以便更好地改进运动跟踪性能。 展望未来 MEMS AHRS已经成为众多高精尖应用领域的核心元素。现在，MEMS陀螺仪市场上呈现出一派喜人的发展趋势。技术进步不断推动消费级陀螺仪达到更高性能等级，也意味着更多消费产品系列可以采用先进的动作跟踪功能。 未来的一个重要趋势是AHRS将进一步把所有必要的部件进行物理集成。这意味着，可将所有MEMS传感器和DSP以及MCU集中于一个产品。同样，MEMS AHRS所用软件的不断进步也确保了将基于MENS的产品引入更多新领域，包括与身体区域联网的IMU和AHRS。 所有商标和注册商标是其各自所有者的财产。