對此，通過(guò)指出精確地點(diǎn)或維持精準定位，精密慣性傳感器有望發(fā)揮巨大作用。在某些應用中，運動(dòng)是一個(gè)重要因 素，若將其位置信息和傳感器情境信息相關(guān)聯(lián)，將產(chǎn)生意義重大的價(jià)值。很多情況下，尤其是在復雜或惡劣環(huán)境下工作時(shí)，確定位置有著(zhù)關(guān)鍵性作用。運動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(IoMT)在實(shí)現效率大幅提升的道路上還面臨著(zhù)許多挑戰，高性能慣性傳感器將對其發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

 

傳感器推動(dòng)機器自動(dòng)化

 

機械設備已從執行簡(jiǎn)單的被動(dòng)測量發(fā)展到包含嵌入式控制功能，現在正進(jìn)軍完全自主式運作，這其中傳感器發(fā)揮著(zhù)重要的推動(dòng)作用。無(wú)論是支持離線(xiàn)分析的簡(jiǎn)單測量，還是過(guò)程控制，很多此類(lèi)傳感器在孤立環(huán)境下都能充分有效地工作。獲取實(shí)時(shí)信息的需求，加上日益豐富的檢測類(lèi)型和高效處理，使傳感器融合——通過(guò)它能夠最有效地確定與多種應用和環(huán)境狀態(tài)相關(guān)的情境——取得重要進(jìn)步。此外，在涉及多平臺交互和需要獲取歷史系統狀態(tài)的復雜系統中，連接技術(shù)的進(jìn)步為智能程度日益提高的傳感器系統提供支持，如表1所示。

 

表1. 傳感器集成和連接水平

 

這些已面世的智能型傳感器系統正在一些所謂的成熟行業(yè)掀起革命，把農業(yè)變成智能農業(yè)，把基礎設施變成智能基礎設施，把城市變成智能城市。由于傳感器被部署在這些環(huán)境中以收集相關(guān)的情境信息，數據庫管理和通信方面出現了新的挑戰，不僅要求傳感器之間的融合，而且要求實(shí)現跨平臺、跨時(shí)間的復雜融合（例如：對跨時(shí)間的基礎設施狀況、前一年的農作物產(chǎn)量、交通狀況及模式進(jìn)行基于云計算的分析），如圖1所示。

 

圖1. 面向地點(diǎn)感知型工業(yè)智能檢測的集成

 

在機動(dòng)性很重要的情況下，需要確定情境傳感器數據的地理位置。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)很少被視為靜態(tài)。工廠(chǎng)、田野和醫院中的可移動(dòng)設備能發(fā)揮更大的用處，而地理位置不動(dòng)的設備的光 學(xué)傳感器也可能需要局部移動(dòng)，比如轉向和對位。運動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（表2）能融合情境數據和位置數據，極大地提高數據分析的價(jià)值和效益。舉個(gè)例子，當分析農作物增產(chǎn)的機會(huì )時(shí)，試著(zhù)想象比較以下兩種情形：一是對每顆所種種子的溫度、濕度、精確位置都了如指掌，二是僅知道種子隨機播撒的農地的溫度和土壤條件；顯然第一種情形更有利于做出準確分析。

 

表2. 精確定位與情境交融，實(shí)現運動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)

 

智能機器中的慣性傳感器

 

在大多數智能機器中，慣性傳感器主要起到兩個(gè)作用：一是設備穩定和瞄準，二是導航和制導，如圖2所示（另一個(gè)重要作用是振動(dòng)分析和條件監控，對此將單獨說(shuō)明）。GPS由于無(wú)處不在，可能被視為大多數系統的首選導航輔助手段，但在某些情況下，依賴(lài)GPS會(huì )帶來(lái)一些嚴重問(wèn)題，因為它可能會(huì )被阻擋。在GPS被阻擋期間切換到慣性檢測是可行的，但要求慣性傳感 器質(zhì)量足夠好，并能在此期間提供足夠高的精度。對于穩定或伺服環(huán)路，反饋機制可能要依賴(lài)慣性傳感器，以使天線(xiàn)、吊車(chē)平臺、施工刀片、農具或無(wú)人飛行器上的相機維持一個(gè)可靠的指向角。在所有這些例子中，慣性傳感器的作用已不僅僅是提供有用的功能（如手機中的手勢控制等），而是發(fā)展到要在異乎尋常的困難環(huán)境中提供關(guān)鍵精度或安全機制（參見(jiàn)表3）。

 

圖2. 在其他傳統傳感器有局限性的應用中，慣性測量單元起到關(guān)鍵的穩定和定位作用

 

表3. 困難環(huán)境下的工業(yè)應用對慣性傳感器提出極具挑戰性的要求

 

傳感器的質(zhì)量非常重要

 

有一種不切實(shí)際的說(shuō)法是，可以利用傳感器融合算法，通過(guò)編程使技術(shù)水平很差的傳感器獲得良好的性能。傳感器融合的確可用于某些校正，例如：利用溫度傳感器校正其他傳感器的溫漂，或利用加速度計(g)傳感器校正陀螺儀的重力效應。但即使是在這些情況下，也只能依據環(huán)境來(lái)校準給定傳感器，而無(wú)法提高它在校準點(diǎn)之間維持性能的固有能力；也就是說(shuō)，只能插值而無(wú)法維持校準精度。質(zhì)量較差的傳感器通常會(huì )迅速漂移，如果不進(jìn)行廣泛和成本高昂的校準，精度會(huì )立即下降。

 

盡管如此，為使器件發(fā)揮最高性能，即使高質(zhì)量傳感器通常也需要進(jìn)行一定的校準。為了以最具性?xún)r(jià)比的方式進(jìn)行校準，必須了解傳感器的復雜細節和運動(dòng)力學(xué)的深厚知識（參見(jiàn)圖3），更不用說(shuō)需要比較獨特的測試設備。因此，校準和補償步驟越來(lái)越多地被看成是傳感器制造商必須提供的嵌入式功能。

 

圖3. 從慣性傳感器提取有價(jià)值的應用級信息需要復雜校準和高級處理

 

將基本檢測輸出轉換為有用的應用級智能的第二個(gè)重要步驟是狀態(tài)驅動(dòng)的傳感器切換。這就意味著(zhù)要對應用動(dòng)力學(xué)以及傳感器性能有廣泛深入的了解，從而最有效地在任一給定時(shí)間點(diǎn)確定可以利用和依賴(lài)的傳感器。

 

圖4中的概念示例說(shuō)明了傳感器融合在工業(yè)應用中的作用。這是一種精密從動(dòng)工業(yè)應用，通過(guò)精心選擇傳感器來(lái)滿(mǎn)足預期需求，在GPS有很大可能被阻擋，或在有復雜磁場(chǎng)和其他環(huán)境干擾的情況下保持運作。為此必須高度依賴(lài)無(wú)基礎設施的慣性傳感器，并選擇其他傳感輔助手段來(lái)應對特定環(huán)境挑戰，幫助校正長(cháng)期慣性漂移。雖然較好的做法是對傳感器選擇進(jìn)行規劃以實(shí)現所有條件下的精確跟蹤，但這種做法在實(shí)際上是不可行的。因此，場(chǎng)景規劃中仍存在一定的不確定性。已有算法來(lái)執行重要的傳感器校準，以及管理應用狀態(tài)驅動(dòng)的復雜傳感器切換。

 

圖4.傳感器融合算法依賴(lài)精密傳感器，需正確選擇以支持特定應用環(huán)境

 

歸根結底，最終應用將決定所需的精度水平，而所選的傳感器質(zhì)量將決定其能否實(shí)現。

 

表4比較了兩種場(chǎng)景，說(shuō)明了傳感器選擇對設計過(guò)程和設備精度均很重要。如果只在很有限的情況下依賴(lài)傳感器，并且應用有較高的容錯性，那么可以使用低精度傳感器。換言之，如果不是安全或生命攸關(guān)的應用，相對較低的精度便足夠了。雖然多數消費級傳感器在有利條件下噪聲很低且性能良好，但它們不適合用于動(dòng)態(tài)運動(dòng)（包括振動(dòng)）下的機器，因為性能較低的慣性測量單元無(wú)法將動(dòng)態(tài)運動(dòng)與簡(jiǎn)單的線(xiàn)性加速度或所需的傾斜測量區分開(kāi)來(lái)。在工業(yè)環(huán)境中工作時(shí)，為實(shí)現優(yōu)于1度的精度，應當選擇專(zhuān)門(mén)設計的傳感器，以便抑制振動(dòng)或溫度影響導致的誤差漂移。這種高精度傳感器能夠支持更大范圍的預期應用狀態(tài)，工作時(shí)間也更長(cháng)。

 

表4. 具有復雜、關(guān)鍵任務(wù)要求的工業(yè)應用依賴(lài)高精度傳感器

 

高性能慣性傳感器

 

針對性能的設計與針對成本、尺寸、功耗效率的設計并不是互相排斥的。然而，以降低成本為主要目標的MEMS結構設計通常會(huì )犧牲性能，有時(shí)甚至會(huì )嚴重削弱性能。為降低成本而做出的一些簡(jiǎn)單選擇，例如縮小硅片質(zhì)量和用塑料封裝消費級產(chǎn)品等，對MEMS性能有很大的不利影響。為了從微機電器件（例如圖5所示）提取精確穩定的信息，必須有很高的信噪比，而信噪比是由硅片面積和厚度決定的，另外還要選擇適當的器件封裝和系統外殼，使硅片受到的應力最小。在一開(kāi)始定義傳感器時(shí)便牢記最終應用的性能要求，據此優(yōu)化硅片、集成、封裝、測試和校準方法，使得在復雜環(huán)境下也能維持原有性能，并且使成本最低。

 

圖5. 用于確定精密運動(dòng)的微機電結構

 

表5顯示了一款中檔工業(yè)器件的性能，并將其與手機等設備使用的典型消費級傳感器進(jìn)行比較（注意還有更高端的工業(yè)器件，其性能比表中所示高出一個(gè)數量級）。多數低端消費級器件未提供諸如線(xiàn)性加速度效應、振動(dòng)校正、角度隨機游走之類(lèi)的參數規格，而這些規格在工業(yè)應用中恰恰可能是最大的誤差源。

 

表5. 工業(yè)MEMS器件對所有已知潛在誤差源進(jìn)行全面測定，通常能實(shí)現高出一個(gè)數量級或更高的精度水平

 

 

這款工業(yè)傳感器設計用于預期會(huì )有相對迅速或極端運動(dòng)（2000 °/s、40 g）的場(chǎng)景，寬帶寬傳感器輸出對最佳地辨別信號也很關(guān)鍵。工作期間的失調漂移（運動(dòng)中穩定度）應最小，以降低對一大套補充傳感器（用來(lái)校正性能）的依賴(lài)。在某些情況下，應用無(wú)法為后端系統濾波校正提供所需的時(shí)間，此時(shí)必須使開(kāi)機漂移（可重復性）最小化。低噪聲加速度計同陀螺儀一起使用，以幫助區別并校正任何g相關(guān)漂移。

 

陀螺儀傳感器設計用來(lái)直接消除任何g事件（振動(dòng)、沖擊、加速度、重力）對器件失調的影響，可大幅改善線(xiàn)性g。通過(guò)校準，溫漂和對準均得以校正。若不進(jìn)行對準校正，典型多軸MEMS器件即使集成到單片結構中，也可能有較大對準誤差，使其成為誤差預算的主要貢獻因素。

 

近年來(lái)，噪聲在區分傳感器級別上所起的作用有所降低。在超出簡(jiǎn)單判定或相對靜止運動(dòng)確定的應用中，線(xiàn)性g效應和對準誤差之類(lèi)的參數成為噪聲源，通過(guò)芯片設計方法或器件專(zhuān)用校準來(lái)改善它們需要付出高昂的成本。表6中的使用案例比較了實(shí)際工業(yè)MEMS IMU和消費級IMU，二者均有比較好的噪聲性能。然而，消費級器件并未針對振動(dòng)或對準進(jìn)行設計或校正?；诮o出的假設，本例顯示了器件規格及其對誤差預算的影響?？傉`差為所示三個(gè)誤差源的和方根，消費級器件的誤差以線(xiàn)性g和跨軸（對準誤差）為主，工業(yè)器件則實(shí)現了更好的平衡。最終，不考慮耐用性較差消費級產(chǎn)品的其他潛在誤差源的話(huà)，二者性能相差至少20倍。

 

表6. 在動(dòng)態(tài)運動(dòng)中，線(xiàn)性g和對準是主要誤差源；工業(yè)器件平衡了所有規格以使總誤差較低

 

抖動(dòng) =（噪聲 + 振動(dòng) + 跨軸靈敏度）的和方根

 

 

假設條件：50 Hz帶寬，2grms振動(dòng)，100 °/s離軸旋轉 

*最佳情況：未包括其他漂移因素

 

系統權衡

 

大部分復雜運動(dòng)應用需要一個(gè)全功能IMU（三軸線(xiàn)性加速度和三軸角速率運動(dòng)）來(lái)實(shí)現充分有效的定位。當今的IMU既有芯片式（消費級），也有模塊式（工業(yè)級），參見(jiàn)圖6中的工業(yè)IMU示例。邏輯上看，消費級芯片式IMU的系統集成度似乎更高，但如果最終目標是在復雜的工業(yè)環(huán)境中精準確定運動(dòng)狀況，則情況正好相反。工業(yè)IMU性能優(yōu)越，而且開(kāi)箱即可使用。在應用的全壽命期間都能可靠地獲得一致的高性能，對系統中校正的要求（如有）極低。消費級IMU看似全面集成且很完整，但其實(shí)需要大量額外時(shí)間、集成和成本（參見(jiàn)圖7）才能勉強實(shí)現類(lèi)似水平的性能（通常幾乎是不可能的），而且可能永遠無(wú)法實(shí)現同樣可靠的運作。

 

圖6. 6自由度慣性測量單元ADIS16460，在復雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中也能提供高精度水平

 

圖7. 消費級器件雖然成本較低，但系統層面的必要開(kāi)銷(xiāo)較高，最終會(huì )影響可靠性和性能

 

地點(diǎn)感知型工業(yè)智能傳感器有望大幅提升機器自動(dòng)化的效率。系統的精度和可靠性主要取決于核心傳感器質(zhì)量，而不是其周?chē)南到y和軟件。盡管如此，圍繞高質(zhì)量傳感器的整體集成、嵌入式軟件和連接方法可幫助實(shí)現智能檢測解決方案，從而大大增強信息的質(zhì)量和利用率，同時(shí)又不影響同樣重要的安全和可靠性。

 

 

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