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克服定向障碍:装配MEMS惯性传感器的实用方法

Marc Smith?? 技术团队主要成员?? Maxim Integrated?? 2014年08月27日 ?? 收藏0
引言

儿童和狗能够毫不费力地辨别方向以及控制体操动作。有些人认为这就像“小孩游戏”一样简单,直到他们试图使机器人模仿这种本领。人类定向系统的复杂性不可思议,当我们在地面上时其表现非常出色。相反,在飞机上时,我们则处于一种不熟悉的三维环境下,再加上缺少视觉定向参考,就难以或不可能管理空间(距离)方位。5%至10%的一般航空事故与空间定向障碍有关,其中90%是致命的(参考文献1)。

微机电系统(MEMS)惯性传感器的设计在本质上对运动非常敏感,可有效检测和处理线性加速、磁航向、海拔和角速率信息。为充分利用惯性传感器的性能潜力,设计者必须熟悉总体机械系统,密切关注应用中的运动源和谐振。

本文介绍了MEMS惯性传感器(例如陀螺仪和加速计)如何帮助人或机器克服空间定向障碍。文章介绍了外力和运动对系统工作的影响,以及元件布局和安装条件(空间关系)对MEMS惯性传感器性能的直接影响。系统配置各有不同(例如电路板尺寸、材质、安装方法),设计者需要根据具体应用设计特定的方案。文章还介绍了如何检测并减少错误的惯性信号。对于实际环境中出现有害的移动信号和系统共振的情况,文章给出增强传感器系统工作的实用建议。

人类的平衡

本文首先从讨论平衡开始,以人类耳朵为例。图1中的耳蜗是听觉器官。耳膜通过我们身体中一些最小的骨骼振动耳蜗。耳蜗长有毫毛或纤毛,并且充满液体。当耳蜗移动时,液体由于惯性的原因并不移动。纤毛感测这种运动差异,并将神经脉冲传输至我们的脑部,表现为声音。

图1. 人体平衡和听力是内耳中复杂平衡器官的一部分。
图1. 人体平衡和听力是内耳中复杂平衡器官的一部分。

人耳也包含用于平衡的运动检测系统。三个半规管的作用类似于相互垂直的陀螺仪,感测并将脉冲信号送至脑部,表示人的平衡状态。不幸的是,我们感测运动的方式存在局限性。

如果运动小于2度每秒时,我们将感测不到;如果稳定运动的时间超过20至25秒,我们则会停止感测运动。这种人类局限性会引起错乱。在内耳中存在其他两个感觉器官:椭圆囊感测线性加速度,球囊感测重力。耳朵中的全部5个感觉器官向脑部传送身体方位和运动信息,帮助我们平衡。这和眼睛一起,帮助我们维持平衡,并且在头部运动或身体旋转时使我们的眼睛盯住目标。

飞机中的飞行员与空间定向

飞行员都知道不要靠直觉(即不依赖于内部感观)飞行,而是要依赖于飞行仪表。这非常难以掌握,尤其在紧急和恐慌的情况下。

根据美国联邦航空管理局(FAA)的信息,飞行员受一种称为“墓地盘旋”的常见错觉影响。这与有意识或无意识长时间倾斜转弯后恢复水平飞行有关。例如,当飞行员开始倾斜向左转弯时,最初会感觉到在相同方向的转弯;如果继续向左转弯(约20秒或更长),飞行员就会觉得飞机不再向左转弯。此时,如果飞行员试图将机翼调整水平,这一动作将会使其感觉到飞机正在向相反的方向(向右)转弯和倾斜。如果飞行员相信向右转弯的错觉(会非常强烈),他将试图纠正右转的感觉,从而重新进入最初的左转。不幸的是,发生这一切时,飞机仍在左转,并正在下降。正在转弯时拉起控制杆并增加动力不是一个好主意——只能使飞机更向左转。如果飞行员没有认识到错觉,未能使机翼水平,飞机将继续左转并降低高度,直到撞击地面(参考文献2)。

问题是MEMS陀螺仪和加速计能够帮助飞行员克服空间定向障碍吗?

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惯性传感器? MEMS? 装配? PCB谐振?

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