原创 微惯性技术在消费产品运动检测中的应用

运动数字化

        加速度传感器和陀螺仪的集合已经使生活用具（例如手机）在满足价格、尺寸、坚固性和电池使用寿命长的目标的同时，还增加了运动功能。因为消费电子产品公司在不断寻求下一代具有新异功能的产品，所以为了在竞争者中脱颖而出，这些电子产品公司不断地把运动加载到游戏、移动手持电子设备、数码相机、电视远程控制、医学、运动和健身设备中。

        微机电系统技术（(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的进步使得我们可以生产出大量的传感器，这些传感器使得我们把运动功能革命性地用到电子设备中成为可能，并且这些传感器能发挥出它们各自互补性的性能。这些设备包括惯性传感器，如：陀螺仪、加速度传感器、罗盘传感器、照相机、还有GPS接收器。运动处理方法一般都把多个传感器连接来，并通过多个传感数据进行信息融合来达到最优化的性能。

        本文讨论了常见传感器的应用和如何以互补的方式有效地连接这些传感器，可帮助设计者设计出先进的电子设备的九轴方向运动的参考设计模板。

市场对运动处理方法的需要

        运动已经成为一些设备必须的功能，如在任天堂Wii（Nintendo Wii，是任天堂推出的第五个家用电视游戏机），运动用来控制游戏比赛；在手机中，运动用来显示方向，用来玩游戏、还可以作为人机接口功能。

        这些运动处理功能已经在各种电子设备中越来越普及。如：便携式医疗设备正在用于监视病人病情和远程医疗康复中；数码相机结合了位置和方向传感器，通过显示目标是在哪个方向拍摄的和相机镜头面朝的方向来增加视觉信息；远程控制结合了运动处理方法可以提供菜单导航和更多的连接web的方法、还有数字电视的新的内容；运动设备添加了运动性能来跟踪使用者的运动来达到训练和社交礼仪训练的目的。因为运动处理技术正在变得更小、更便宜、而且更高的能量效率，所以它的应用前景是无限的。

基于运动的传感器的概述

       为了设计出运动处理方法，我们就必须了解各种测试运动传感器以及它们的工作原理。

加速度传感器

        加速度传感器是用来感知线性加速度和倾角的。线性加速度有两种形式：

        l .重力加速度

        2. 运动加速度

        图1中给出了加速度工作的原理。在典型的系统中，用一个质量块在它运动轴上的运动来反映被测物体的加速度。质量块的运动会改变质量块上的动片和传感器上定片间的电容，而电容可以转化为电压。然后用模数转换器将电压转变为供微控制器（MCU）使用的数字信号。

       现在的加速度传感器普遍都结成了X、Y、Z方向的三个轴来感知X、Y、Z方向上的位移和6到14位的模数转换器。对于日常消费器件，满刻度量程一般在正负1g到正负8g之间，供电电流从低能耗启动模式下的10微安（交流10Hz刷新频率）到全功率下的400微安（交流200Hz刷新频率）之间。因为电流传感器较低的供电电流，所以它们常用在当有运动被感知时来启动一个设备。现在有十几家生产这类传感器的制造商。它们包括：STMicroelectronics? LIS331, Kionix? KXTF9, Bosch?BMA180, Analog Devices? ADXL346, and Freescale?MMA8450Q。加速度器一般用在游戏中感知倾斜角和运动还有用在手机或其他手持设备中来做垂直或者水平方向上方向的显示和识别，还有用在探测脚步的计程器。

图1 线性加速度的基础，线性运动导致电容的变化，电容变化转化为电压，电压经数模转换后用到后面的系统。

加速度传感器的局限性

       因为加速度传感器不能识别运动加速度和重力加速度，所以在测量倾角时需要对运动加速度进行过滤。但是，过滤会使得传感器的响应变得缓慢。这就是为何我们把加速度计和陀螺仪结合在一起使用来提供更精确、更灵敏的感知的原因。譬如，为了达到高灵敏度的单机游戏体验，任天堂（Nintendo）在它Wii遥控器中增添了加速度传感器，在它的Wii体验增强器软件狗中添加了陀螺仪。

图2加速度传感器可以用来感知方向。手持设备从垂直于地面旋转到到平行于地面过程中，重力加速度的方向从—Y方向转到了—X方向。

       如图2所示，加速度传感器的其他缺点是不能感知方向，当显示屏上有参考轴线时，利用加速度器可以很好显示俯仰和横滚的角度，如图3所示，但是当屏幕显示中轴（Z轴）的方向垂直于重力加速度方向时，将无法利用轴线来判断方向，所以自动显示必须利用其他传感器如陀螺仪或罗盘来确定方向。

       图3 只用加速度传感器，因为X、Y方向上的重力加速度几乎为零，水平和竖直方向上的功能将失效，所以需要其他的传感器如陀螺仪或罗盘来感知方向

陀螺仪

       速度陀螺仪用来感知物体旋转的角速度。图4给出了速度陀螺仪的工作原理，它基于科里奥利原理，即运动的物体具有速度v，角速度Ω时，将受到一个与加速度成比例的科里奥利加速度，科里奥利加速度会使得电容传感器的极板发生移动，从而使得电容发生改变。电容值的变化将被转化为电压，然后再经模数转换变成可供微型处理器使用的数字信号。

图4

       如图5所示，ITG-3200?三轴数字陀螺仪，是世界上最早的一个在单个硅片上集成的三轴旋转陀螺仪。直到现在，满足基于运动的游戏和3D电视远程菜单导航控制的市场需求已经停止，因为缺少便宜的陀螺仪和高昂的成本费用。而ITG-3200因其新异的系统整合和数字输出设计（这种设计可以减少超过60%耗电量和50%的体积）满足了这一市场需求。

图5 ITG-3200三轴数字陀螺仪具有三个（X、Y、Z轴向上）微机电速度陀螺仪，以4*4*0.9mm的QFN封装。

       不像加速度计，陀螺仪不受重力加速度的影响，但是只对旋转运动做出反应。因此，它们可以和加速度计以互补方式实现运动加速度矢量的分解，可以把加速度分解各单独部分，即重力加速度、线性运动加速度、旋转运动加速度。如图6a给出了作为便携式电子装置加速度计在从竖直方向旋转到水平方向，再移回来时的输出。装置转动时，加速度矢量从X轴转向Y轴，然后又转回来。但是，对图像的分析可知除了我们要求的输出外（水平方向、竖直方向以及它们间的倾斜方向外），还有在运动开始和停止时产生的信号峰，而且在装置相对不动的情况下还有噪音信号产生。水平和竖直的信号是由重力加速度矢量引起，峰值是由运动传感器响应线性加速度引起，而这种线性加速度又是由在手机停止或开始运动时速度的改变所引起的。这些附加的、不需要的由平移产生的信号可以用简单的低通滤波器过滤掉。但是，在有效地移除峰值信号的同时，也会带来不灵敏的输出，因为低通滤波会延长输出时间。

图6a为手持设备从水平方向旋转到竖直方向时传感器的输出；b是结合了陀螺仪后，去除噪音的后各自的输出

图6b给出了结合陀螺仪后的传感器的输出结果。通过数学处理方法（传感器融合），手机的倾斜角能非常灵敏的测得。

陀螺仪的局限

       陀螺仪输出的速度是旋转速度，为了得到角度的相对改变，把多个传感器集合在一起作为一个传感器输出。陀螺仪的偏置误差（即在旋转为零时，陀螺仪的输出）产生会使陀螺仪间整合时间的延长的错误。因此，必须做出一些补偿这些偏置误差的措施，这些偏向误差由时间、温度噪音漂移所引起。

陀螺仪的偏置补偿

       一般的补偿的方法是利用其他传感器补偿，譬如测倾斜角的加速度传感器、侧角罗盘。在装置没有移动情况下，偏置上的改变可以被感知。静止未动可以从陀螺仪的相对短的时间（例如两秒）内的输出峰的偏移中观察到。如果峰-峰值信号低于预期给定的值，就可以得出装置是静止的，这个时间内的陀螺仪的输出均值就是新的偏移设定值。

其他传感器中的偏置误差

       值得注意的是加速度传感器和罗盘传感器也有偏置漂移，但是加速度传感器通过重力加速度直接（没有整合）提供倾斜角，电子罗盘通过测量地球的磁场提供所指的方向，在这些传感器中偏差是没有整合到输出中的。但是，当对加速度传感器的输出进行二次积分来求位移时，或者对输出进行一次积分来求速度，加速度计的偏差就变得非常重要。一般情况下，只有当传感器的输出不需要积分时，偏置误差才变得不是很重要。

磁场罗盘传感器

       磁场传感器（也叫罗盘传感器）是利用地球的磁场北极作为参考来确定方向的装置。制造磁场传感器需要很多技术，包括：霍尔原理、各向异性磁阻材料（AMR）、高磁阻材料(GMR)。它们都有一个共同特点，即把它们放置在磁场中它们的物理性质将发生变化，这些变化使得我们可利用电子方面的技术来测量给定的磁场。

       磁场传感器的功能是它们可以通过参考地磁北极来给出绝对的方向信息。与磁场传感器相比，陀螺仪可以给出精确的旋转角度。此外，磁场传感器只能用来确定Z轴或者偏移角度的信息，而陀螺仪给出X、Y、Z三个方向上的信息。

磁场传感器的局限

        磁场传感器不仅仅只对地球磁场做出响应，同时也能感应干扰信号，如：射频（RF）信号（由手机、汽车发动机产生），还有由磁铁产生的磁场，如电视机、话筒、手机、耳机内的磁铁（如图7）。

 图7 罗盘传感器和陀螺仪感知信号的比较，磁场传感器能感知到周围的磁场噪音，而陀螺仪没有。所以，经常将陀螺仪和罗盘结合起来使用，陀螺仪给出快速运动物体的朝向信息，而过滤输出后的磁场传感器提供长时间静止的物体的朝向的信息

       此外，室内的地磁场常被建筑内含铁的物体所扭曲，如地板、墙柱。因此，用磁场传感器测量室内方向时，需要一种运算方法对上面所例举物体干扰进行补偿。然而在许多情况下一定地点磁场可以看作是不变的常量，所以磁场传感器可以来确定大概的方向，即使不能给出确切的方向角度。此外，因为磁场传感器对上面所提到的干扰信号会做出反应，所以它的输出经常需要通过低通滤波器把高频噪音干扰信号过滤掉。所以陀螺仪经常和磁场传感器一起使用，陀螺仪为较快的运动提供朝向角度，过滤输出的磁场传感器把经延时后的信号用作偏向和方向补偿。此外，因为地球磁场不是严格平行于地球表面，地磁场角度随着地理位置的不同而改变，所以加速度传感器和磁场传感器可一起使用来提供倾斜角度补偿。

完全的九维运动处理系统

        基于运动的设计的心脏是加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器间的融合。为了方便连接基于运动系统的设计，包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘，并且可以提供九维的参考样板（如图8）。它提供了原理图和工作底片档以便设计支持基于USB充电锂电池和微程序控制器的快速编程，还有射频蓝牙的模块。运行在8位的Atmel AVR XMEGA微控制上，最优化了此板使之支持传感器的连接，这样可以说明任何组合中陀螺仪、加速度计和罗盘各自的功能。这种参考设计，结合了先进的运动处理技术，在非常小的电池驱动的形式中，射频性能使得设计者能够快速地设计出能够运动的系统而不必了解太多的运动理论。这个模块可以设计的非常小，可以嵌入在现在的电路板中，这样很快就能实现测试运动的功能。

图8

图9 九维参考模板（图中红线框内）已经用到二维RF鼠标中，是一种戴在手上用的“手套”鼠标

全球定位系统

       还有一个确定朝向和位置的仪器，就是全球定位系统（GPS），它是基于卫星计时信息来精确计算位置的仪器。GPS利用光线与至少四颗卫星联系。因此，在室内或者与卫星间有障碍物遮挡视线的城市，或者在存在多径（电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。在实际的无线电波传播信道中(包括所有波段)，常有许多时延不同的传输路径。各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，从而形成总的接收场的衰落）情况下，GPS都不能很好地工作。

为了增强GPS的信号，可以把陀螺仪和罗盘结合在一起来提供朝向信息，而加速度传感器可以用来测量速度和距离。这可以用在车载和徒步旅行的导航器件中使用。

图10利用GPS、陀螺仪、加速度计、罗盘的慢步导航仪

图像传感器

       图像传感器或者照相机可以用来跟踪运动，就像人的眼睛跟踪运动物体一样。例如，在Wii遥控器中，手持遥控器中有一个与传感棒上红外二极管连在一起照相机，这样来感知用户所指的与屏幕的相对位置。

图11 在Wii遥控器中，图像传感器与传感栏中的LED的结合已被用来感知用户所指的方向

图形传感器的局限

       图形传感收到一些因素所限，如周围光线（图像传感在光线过强和过弱的环境中不能很好地使用），它们的更新频率（典型的更新频率在15到60Hz），还有视角（它们只能够跟踪视场范围内的运动）。如果结合其他传感器一起使用，这些问题都可克服，比如，跟陀螺仪、加速度传感器一起使用可增加图像传感器输出信息。

      表1给出了现在商业上应用的电子设备传感器间的连接，这些传感器的组合在将来的器件中很有可能得到很好的应用。

表1显示了消费电子产品中，常见的传感器间的连接趋向

总结

       消费层次上的MEMS速度陀螺仪和加速度传感器已经发展到可以很容易地整合到消费电子产品中的阶段。所以，运动处理方法将成为下一代消费电子产品必须的功能，允许原始制造商（OEMs）通过为装置连接和控制，提供新的可扩展性能改变产品的性能，。

       为了设计出可运动的系统，我们必须对多种运动传感器以及它们的工作原理有所了解。这篇论文回顾了一些常用传感器以及这些传感器如何以互补的方式连接在一起克服单个传感器的局限的。除了加速度传感器和陀螺仪，这篇论文还涉及到其他的一些感知运动的传感器，如罗盘传感器、图像传感器和GPS。

      回顾了作为参考设计的多种传感器的应用，开发者可以利用这些参考设计开发便携的、无线连接的加载了运动的电子设备。随着时间推移，这些传感器将会变得越来越结合，开发成本也将会下降。这里详细考虑了可以帮助工程师找到最优化的运动处理方法，从而使这些连接的传感器快速的应用到电子设备中。

     感谢我的研究生---沈春涛和唐锐的资料整理