标签: 航姿参考系统

如果观看过索契冬奥会的户外赛事转播，您可能注意到，滑雪板和滑雪赛场上空盘旋着小巧如蜘蛛般的摄像飞行器。这些无人飞行器用于进行航拍，操控性能极其卓越。它们可以近距离捕捉竞技动作，并顺畅地进行跟踪，比安装在起重机或传统直升机上的摄像机更为优越。 是什么使摄像飞行器如此超凡脱俗呢？ 一个称为姿态航向参考系统(AHRS)的复杂动作控制和稳定系统，该系统在所有三个轴上安装了微型机电陀螺仪、加速度计和磁力计（罗盘）。这些微型元件称为MEMS（微机电系统），构成了小巧轻便的运动跟踪系统，与以前的产品相比，精度更高、可靠性更好且生产成本更低。 无人驾驶飞行器 (UAV) MEMS AHRS可以装配在最大有效载重约为5至10 kg的小型直升机上，能够提供必要的运动跟踪技术，使得能够操控飞行器并使其保持在航线上。过去，如果要结合考虑所有必要的控制和稳定需求，意味着需要使用高精度的（因而庞大且笨重的）的惯量测量单元(IMU)或昂贵的（也同样庞大的）光纤陀螺仪(FOG)。无论采用哪种方法，装置都过于庞大，无法搭载到小型直升机上。MEMS AHRS产品足够轻便，便于携带，同时足够精确，能够执行必需的测量任务。另外，实时操作要求快速响应，而最新的MEMS AHRS产品延迟不到2 ms，足以进行快速跟踪。 MEMS AHRS使得这样的摄像飞行器成为可能 在空中，受几乎不间断的振动和长时间加速影响，飞行器可能出现暂时性导航故障，最后会偏离航线。最新级别的抗振MEMS陀螺仪具有高带宽特性并结合使用强大的信号处理算法，能够抵抗频率高达200 Hz的振动，从而提高了短期精度。 长时间加速导致很难读取接近重力的加速度计值。如果不能适当地补偿这些加速度，那么横滚值和俯仰值将不准确，飞行器便会开始偏移航线。新的传感器融合算法可以管理多个传感器的读数，能够帮助MEMS AHRS检测加速度并根据测量的动态特性进行调整。传感器融合也可帮助MEMS设备更好地对抗因钢铁、永磁体和电流而产生的磁场畸变。高性能的传感器融合算法可以补偿此类磁场畸变，并相应调节航向估计值。 移动 3D测绘 除了摄像飞行器和其它UAV之外，MEMS技术的一个新兴应用是移动3D测绘，这涉及到利用移动平台上搭载的成像器件来绘制三维地图。通过使用MEMS产品构建内部导航系统(INS)，谷歌街景定制车辆所用的同类测绘技术成本将大幅下降，从而能够得到推广应用。例如，可将低成本激光扫描仪或热感摄像机、可输出位置和方向且基于MEMS的INS，以及带控制软件的膝上型电脑全部集成到一个货箱内并放在任何家用汽车上。市政机构可以借助该箱子来监控公共工程。激光扫描解决方案变得非常轻便，可由飞行器携带，因此也可用于航空测绘。国家公园和其它森林地区的消防队可使用搭载测绘设备的飞行器来查找火灾多发地点，而无需租用特殊飞机和飞行员来完成该工作。 货船 对抗振动和磁向的能力也在运输行业为低成本MEMS AHRS开辟了新的机遇。MEMS AHRS可以监控船上任何区域所装载货物的运动、加速度和速度。通过将这些信息与天气数据、海浪测量及其它读数结合使用，MEMS AHRS可以绘制出最佳航道和速度，从而将横摇降至最低，优化油耗并保护货物。如果没有现代基于MEMS的运动跟踪器的精确度和鲁棒性，那么几乎不可能开发出像这样经济高效的应用。 作为货船导航系统的一部分，MEMS AHRS能够帮助绘制更好、更高效的航道 风筝动力船 MEMS AHRS的另一个应用是在以大型风筝提供推进力的集装箱船上。可将风筝连接在前甲板上，并使用MEMS AHRS来为风筝导向。风筝必须在恰当的时刻进行移动，以便确保提供最大的效率，而MEMS AHRS可以确定这个移动时刻。与无人驾驶飞行器一样，大型风筝也受到高加速度影响，可能影响控制器的精确度。而且，无论是重量还是尺寸有所增加，风筝的效率都受到影响。使用小巧而精确的MEMS AHRS，即可带来恰当的精度，又不会增加任何阻力。同样，MEMS AHRS也可用于控制离岸风车中连接涡轮的风筝。 MEMS AHRS用于控制风筝动力货船 结论 基于MEMS的产品具有更高的精度、更好的传感器融合算法、元件微型化以及相对低廉的生产成本，因而成为替代传统光学和机械导航设备的诱人选择。摄像飞行器也许是此类基于MEMS的解决方案中最广为人知的应用，但是其它领域的应用也在迅猛发展。例如，移动3D测绘、货船导航系统以及配有风筝的风力驱动船只等等。各种特性的独特组合，以及较低的总成本，使得这这些尺寸小巧的基于MEMS的系统最有可能成为下一代运动跟踪系统中的佼佼者。 相关链接 Xsens主页 www.xsens.com Fairchild主页 www.fairchildsemi.com        

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。