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(chǎng)景時(shí),，可以使用傳感器來(lái)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(lái)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(chǎng)景時(shí)，僅靠GPS是不夠的,。

　　對(duì)于這些類型的應(yīng)用,，可以使用各種傳感器類型來(lái)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(wèn)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(wèn)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(duì)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(guò)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(wèn)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(guò)那里,，你會(huì)想到一條路線,，但一路上你依靠各種感官來(lái)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(lái)源,，以及一些嵌入式模式識(shí)別，如果這是艱難的一天,，您可能需要暫停并詢問(wèn)一些外部輸入,，即方向。在整個(gè)過(guò)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(méi)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(chǎng),，雖然這通常可以假設(shè),，但工業(yè)環(huán)境中存在許多場(chǎng)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(duì)參考（North在哪里,？表 1 概述了主要導(dǎo)航傳感器類型的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和潛在問(wèn)題,。

　　傳感器選擇和處理

　　除了最簡(jiǎn)單的問(wèn)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(méi)有衛(wèi)星,，沒(méi)有磁場(chǎng),，沒(méi)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(jī)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(wú)法解決前面概述的高性能導(dǎo)航問(wèn)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(jí)的性能水平。

　　在大多數(shù)情況下,，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜（多個(gè)軸）,，這就推動(dòng)了對(duì)全慣性測(cè)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(cè)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(wèn)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(huì)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(cè)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(duì)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(lái)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(hào)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(duì)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(lái)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(duì)齊人工關(guān)節(jié)，例如膝蓋或臀部,。

　　除了更好地對(duì)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(duì)抗手部震顫和疲勞,。近年來(lái),，純機(jī)械對(duì)準(zhǔn)得到了光學(xué)對(duì)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(duì)準(zhǔn)工具可以補(bǔ)充甚至取代光學(xué)引導(dǎo)，沒(méi)有視線問(wèn)題,，并且在尺寸,、成本和自動(dòng)化方面也具有潛在的優(yōu)勢(shì)。

　　盡管解決導(dǎo)航問(wèn)題的基礎(chǔ)知識(shí)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(chǎng)中的新一輪采用,。

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