對此，通過指出精確地點或維持精準定位，精密慣性傳感器有望發揮巨大作用。在某些應用中

，運動是一個重要因 su，ruojiangqiweizhixinxihechuanganqiqingjingxinxixiangguanlian，jiangchanshengyiyizhongdadejiazhi。henduoqingkuangxia，youqishizaifuzahuoeliehuanjingxiagongzuoshi，quedingweizhiyouzheguanjianxingzuoyong。yundongwulianwang(IoMT)在實現效率大幅提升的道路上還麵臨著許多挑戰
，高性能慣性傳感器將對其發展起到重要的推動作用。

 

傳感器推動機器自動化

 

jixieshebeiyicongzhixingjiandandebeidongceliangfazhandaobaohanqianrushikongzhigongneng
，xianzaizhengjinjunwanquanzizhushiyunzuo，zheqizhongchuanganqifahuizhezhongyaodetuidongzuoyong。wulunshizhichilixianfenxidejiandanceliang
，haishiguochengkongzhi
，henduocileichuanganqizaigulihuanjingxiadounengchongfenyouxiaodigongzuo。huoqushishixinxidexuqiu，jiashangriyifengfudejianceleixinghegaoxiaochuli
，shichuanganqironghe——通過它能夠最有效地確定與多種應用和環境狀態相關的情境——取(qu)得(de)重(zhong)要(yao)進(jin)步(bu)。此(ci)外(wai)，在(zai)涉(she)及(ji)多(duo)平(ping)台(tai)交(jiao)互(hu)和(he)需(xu)要(yao)獲(huo)取(qu)曆(li)史(shi)係(xi)統(tong)狀(zhuang)態(tai)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)中(zhong)

，連(lian)接(jie)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)為(wei)智(zhi)能(neng)程(cheng)度(du)日(ri)益(yi)提(ti)高(gao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)支(zhi)持(chi)
，如(ru)表(biao)1所示。

 

表1. 傳感器集成和連接水平

 

這(zhe)些(xie)已(yi)麵(mian)世(shi)的(de)智(zhi)能(neng)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)正(zheng)在(zai)一(yi)些(xie)所(suo)謂(wei)的(de)成(cheng)熟(shu)行(xing)業(ye)掀(xian)起(qi)革(ge)命(ming)，把(ba)農(nong)業(ye)變(bian)成(cheng)智(zhi)能(neng)農(nong)業(ye)，把(ba)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)變(bian)成(cheng)智(zhi)能(neng)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)，把(ba)城(cheng)市(shi)變(bian)成(cheng)智(zhi)能(neng)城(cheng)市(shi)。由(you)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)部(bu)署(shu)在(zai)這(zhe)些(xie)環(huan)境(jing)中(zhong)以(yi)收(shou)集(ji)相(xiang)關(guan)的(de)情(qing)境(jing)信(xin)息(xi)，數(shu)據(ju)庫(ku)管(guan)理(li)和(he)通(tong)信(xin)方(fang)麵(mian)出(chu)現(xian)了(le)新(xin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，不(bu)僅(jin)要(yao)求(qiu)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)融(rong)合(he)，而(er)且(qie)要(yao)求(qiu)實(shi)現(xian)跨(kua)平(ping)台(tai)、跨時間的複雜融合（例如：對跨時間的基礎設施狀況、前一年的農作物產量、交通狀況及模式進行基於雲計算的分析）


，如圖1所示。

 

圖1. 麵向地點感知型工業智能檢測的集成

 

在機動性很重要的情況下，需要確定情境傳感器數據的地理位置。事實上，物聯網很少被視為靜態。工廠、田野和醫院中的可移動設備能發揮更大的用處，而地理位置不動的設備的光 學傳感器也可能需要局部移動，比如轉向和對位。運動物聯網（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值和效益。舉個例子
，當分析農作物增產的機會時，試著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於做出準確分析。

 

表2. 精確定位與情境交融，實現運動物聯網

 

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作用：一是設備穩定和瞄準，二是導航和製導，如圖2所示（另一個重要作用是振動分析和條件監控，對此將單獨說明）。GPS由於無處不在

，可能被視為大多數係統的首選導航輔助手段，但在某些情況下
，依賴GPS會帶來一些嚴重問題，因為它可能會被阻擋。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 器質量足夠好，並能在此期間提供足夠高的精度。對於穩定或伺服環路
，反饋機製可能要依賴慣性傳感器
，以使天線

、吊車平台、施工刀片
、農具或無人飛行器上的相機維持一個可靠的指向角。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（如手機中的手勢控製等），而是發展到要在異乎尋常的困難環境中提供關鍵精度或安全機製（參見表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鍵的穩定和定位作用

 

表3. 困難環境下的工業應用對慣性傳感器提出極具挑戰性的要求

 

傳感器的質量非常重要

 

有(you)一(yi)種(zhong)不(bu)切(qie)實(shi)際(ji)的(de)說(shuo)法(fa)是(shi)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)算(suan)法(fa)，通(tong)過(guo)編(bian)程(cheng)使(shi)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)很(hen)差(cha)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)的(de)確(que)可(ke)用(yong)於(yu)某(mou)些(xie)校(xiao)正(zheng)，例(li)如(ru)：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chuan感gan器qi校xiao正zheng陀tuo螺luo儀yi的de重zhong力li效xiao應ying。但dan即ji使shi是shi在zai這zhe些xie情qing況kuang下xia
，也ye隻zhi能neng依yi據ju環huan境jing來lai校xiao準zhun給gei定ding傳chuan感gan器qi，而er無wu法fa提ti高gao它ta在zai校xiao準zhun點dian之zhi間jian維wei持chi性xing能neng的de固gu有you能neng力li；也就是說
，隻能插值而無法維持校準精度。質量較差的傳感器通常會迅速漂移，如果不進行廣泛和成本高昂的校準

，精度會立即下降。

 

盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)
，為(wei)使(shi)器(qi)件(jian)發(fa)揮(hui)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)

，即(ji)使(shi)高(gao)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)也(ye)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)一(yi)定(ding)的(de)校(xiao)準(zhun)。為(wei)了(le)以(yi)最(zui)具(ju)性(xing)價(jia)比(bi)的(de)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)，必(bi)須(xu)了(le)解(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)複(fu)雜(za)細(xi)節(jie)和(he)運(yun)動(dong)力(li)學(xue)的(de)深(shen)厚(hou)知(zhi)識(shi)（參見圖3），更不用說需要比較獨特的測試設備。因此，校準和補償步驟越來越多地被看成是傳感器製造商必須提供的嵌入式功能。

 

圖3. 從慣性傳感器提取有價值的應用級信息需要複雜校準和高級處理

 

將(jiang)基(ji)本(ben)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)有(you)用(yong)的(de)應(ying)用(yong)級(ji)智(zhi)能(neng)的(de)第(di)二(er)個(ge)重(zhong)要(yao)步(bu)驟(zhou)是(shi)狀(zhuang)態(tai)驅(qu)動(dong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)切(qie)換(huan)。這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)要(yao)對(dui)應(ying)用(yong)動(dong)力(li)學(xue)以(yi)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)性(xing)能(neng)有(you)廣(guang)泛(fan)深(shen)入(ru)的(de)了(le)解(jie)，從(cong)而(er)最(zui)有(you)效(xiao)地(di)在(zai)任(ren)一(yi)給(gei)定(ding)時(shi)間(jian)點(dian)確(que)定(ding)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)和(he)依(yi)賴(lai)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

 

圖4中的概念示例說明了傳感器融合在工業應用中的作用。這是一種精密從動工業應用，通過精心選擇傳感器來滿足預期需求，在GPS有(you)很(hen)大(da)可(ke)能(neng)被(bei)阻(zu)擋(dang)，或(huo)在(zai)有(you)複(fu)雜(za)磁(ci)場(chang)和(he)其(qi)他(ta)環(huan)境(jing)幹(gan)擾(rao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)保(bao)持(chi)運(yun)作(zuo)。為(wei)此(ci)必(bi)須(xu)高(gao)度(du)依(yi)賴(lai)無(wu)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)的(de)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)，並(bing)選(xuan)擇(ze)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)輔(fu)助(zhu)手(shou)段(duan)來(lai)應(ying)對(dui)特(te)定(ding)環(huan)境(jing)挑(tiao)戰(zhan)，幫(bang)助(zhu)校(xiao)正(zheng)長(chang)期(qi)慣(guan)性(xing)漂(piao)移(yi)。雖(sui)然(ran)較(jiao)好(hao)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)擇(ze)進(jin)行(xing)規(gui)劃(hua)以(yi)實(shi)現(xian)所(suo)有(you)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)精(jing)確(que)跟(gen)蹤(zong)，但(dan)這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)在(zai)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)不(bu)可(ke)行(xing)的(de)。因(yin)此(ci)

，場(chang)景(jing)規(gui)劃(hua)中(zhong)仍(reng)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)。已(yi)有(you)算(suan)法(fa)來(lai)執(zhi)行(xing)重(zhong)要(yao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)校(xiao)準(zhun)，以(yi)及(ji)管(guan)理(li)應(ying)用(yong)狀(zhuang)態(tai)驅(qu)動(dong)的(de)複(fu)雜(za)傳(chuan)感(gan)器(qi)切(qie)換(huan)。

 

圖4.傳感器融合算法依賴精密傳感器

，需正確選擇以支持特定應用環境

 

歸根結底

，最終應用將決定所需的精度水平，而所選的傳感器質量將決定其能否實現。

 

表4bijiaoleliangzhongchangjing
，shuominglechuanganqixuanzeduishejiguochengheshebeijingdujunhenzhongyao。ruguozhizaihenyouxiandeqingkuangxiayilaichuanganqi，bingqieyingyongyoujiaogaoderongcuoxing，namekeyishiyongdijingduchuanganqi。huanyanzhi，ruguobushianquanhuoshengmingyouguandeyingyong，xiangduijiaodidejingdubianzugoule。suiranduoshuxiaofeijichuanganqizaiyoulitiaojianxiazaoshenghendiqiexingnenglianghao，dantamenbushiheyongyudongtaiyundong（包括振動）下(xia)的(de)機(ji)器(qi)，因(yin)為(wei)性(xing)能(neng)較(jiao)低(di)的(de)慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)單(dan)元(yuan)無(wu)法(fa)將(jiang)動(dong)態(tai)運(yun)動(dong)與(yu)簡(jian)單(dan)的(de)線(xian)性(xing)加(jia)速(su)度(du)或(huo)所(suo)需(xu)的(de)傾(qing)斜(xie)測(ce)量(liang)區(qu)分(fen)開(kai)來(lai)。在(zai)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)工(gong)作(zuo)時(shi)
，為(wei)實(shi)現(xian)優(you)於(yu)1度du的de精jing度du，應ying當dang選xuan擇ze專zhuan門men設she計ji的de傳chuan感gan器qi
，以yi便bian抑yi製zhi振zhen動dong或huo溫wen度du影ying響xiang導dao致zhi的de誤wu差cha漂piao移yi。這zhe種zhong高gao精jing度du傳chuan感gan器qi能neng夠gou支zhi持chi更geng大da範fan圍wei的de預yu期qi應ying用yong狀zhuang態tai
，工gong作zuo時shi間jian也ye更geng長chang。

 

表4. 具有複雜、關鍵任務要求的工業應用依賴高精度傳感器

 

高性能慣性傳感器

 

針對性能的設計與針對成本、尺寸
、功耗效率的設計並不是互相排斥的。然而，以降低成本為主要目標的MEMSjiegoushejitongchanghuixishengxingneng，youshishenzhihuiyanzhongxueruoxingneng。weijiangdichengbenerzuochudeyixiejiandanxuanze，lirusuoxiaoguipianzhiliangheyongsuliaofengzhuangxiaofeijichanpindeng，duiMEMS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(ti)取(qu)精(jing)確(que)穩(wen)定(ding)的(de)信(xin)息(xi)，必(bi)須(xu)有(you)很(hen)高(gao)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)，而(er)信(xin)噪(zao)比(bi)是(shi)由(you)矽(gui)片(pian)麵(mian)積(ji)和(he)厚(hou)度(du)決(jue)定(ding)的(de)

，另(ling)外(wai)還(hai)要(yao)選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)的(de)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)和(he)係(xi)統(tong)外(wai)殼(ke)，使(shi)矽(gui)片(pian)受(shou)到(dao)的(de)應(ying)力(li)最(zui)小(xiao)。在(zai)一(yi)開(kai)始(shi)定(ding)義(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)時(shi)便(bian)牢(lao)記(ji)最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)，據(ju)此(ci)優(you)化(hua)矽(gui)片(pian)、集成

、封裝、測試和校準方法，使得在複雜環境下也能維持原有性能，並且使成本最低。

 

圖5. 用於確定精密運動的微機電結構

 

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

 

表5. 工業MEMS器件對所有已知潛在誤差源進行全麵測定，通常能實現高出一個數量級或更高的精度水平

 

 

這款工業傳感器設計用於預期會有相對迅速或極端運動（2000 °/s
、40 g）的場景，寬帶寬傳感器輸出對最佳地辨別信號也很關鍵。工作期間的失調漂移（運動中穩定度）應最小，以降低對一大套補充傳感器（用來校正性能）的依賴。在某些情況下，應用無法為後端係統濾波校正提供所需的時間，此時必須使開機漂移（可重複性）最小化。低噪聲加速度計同陀螺儀一起使用，以幫助區別並校正任何g相關漂移。

 

陀螺儀傳感器設計用來直接消除任何g事件（振動
、衝擊、加速度、重力）對器件失調的影響，可大幅改善線性g。通過校準，溫漂和對準均得以校正。若不進行對準校正
，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，噪聲在區分傳感器級別上所起的作用有所降低。在超出簡單判定或相對靜止運動確定的應用中，線性g效應和對準誤差之類的參數成為噪聲源，通過芯片設計方法或器件專用校準來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際工業MEMS IMU和消費級IMU
，二(er)者(zhe)均(jun)有(you)比(bi)較(jiao)好(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)，消(xiao)費(fei)級(ji)器(qi)件(jian)並(bing)未(wei)針(zhen)對(dui)振(zhen)動(dong)或(huo)對(dui)準(zhun)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)或(huo)校(xiao)正(zheng)。基(ji)於(yu)給(gei)出(chu)的(de)假(jia)設(she)
，本(ben)例(li)顯(xian)示(shi)了(le)器(qi)件(jian)規(gui)格(ge)及(ji)其(qi)對(dui)誤(wu)差(cha)預(yu)算(suan)的(de)影(ying)響(xiang)。總(zong)誤(wu)差(cha)為(wei)所(suo)示(shi)三(san)個(ge)誤(wu)差(cha)源(yuan)的(de)和(he)方(fang)根(gen)，消(xiao)費(fei)級(ji)器(qi)件(jian)的(de)誤(wu)差(cha)以(yi)線(xian)性(xing)g和跨軸（對準誤差）為主，工業器件則實現了更好的平衡。最終，不考慮耐用性較差消費級產品的其他潛在誤差源的話，二者性能相差至少20倍。

 

表6. 在動態運動中
，線性g和對準是主要誤差源；工業器件平衡了所有規格以使總誤差較低

 

抖動 =（噪聲 + 振動 + 跨軸靈敏度）的和方根

 

 

假設條件：50 Hz帶寬，2grms振動
，100 °/s離軸旋轉 

*最佳情況：未包括其他漂移因素

 

係統權衡

 

大部分複雜運動應用需要一個全功能IMU（三軸線性加速度和三軸角速率運動）來實現充分有效的定位。當今的IMU既有芯片式（消費級），也有模塊式（工業級），參見圖6中的工業IMU示例。邏輯上看
，消費級芯片式IMU的係統集成度似乎更高，但如果最終目標是在複雜的工業環境中精準確定運動狀況
，則情況正好相反。工業IMU性能優越
，而且開箱即可使用。在應用的全壽命期間都能可靠地獲得一致的高性能
，對係統中校正的要求（如有）極低。消費級IMU看似全麵集成且很完整，但其實需要大量額外時間、集成和成本（參見圖7）才能勉強實現類似水平的性能（通常幾乎是不可能的），而且可能永遠無法實現同樣可靠的運作。

 

圖6. 6自由度慣性測量單元ADIS16460，在複雜和動態環境中也能提供高精度水平

 

圖7. 消費級器件雖然成本較低，但係統層麵的必要開銷較高，最終會影響可靠性和性能

 

地(di)點(dian)感(gan)知(zhi)型(xing)工(gong)業(ye)智(zhi)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)望(wang)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)機(ji)器(qi)自(zi)動(dong)化(hua)的(de)效(xiao)率(lv)。係(xi)統(tong)的(de)精(jing)度(du)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)核(he)心(xin)傳(chuan)感(gan)器(qi)質(zhi)量(liang)，而(er)不(bu)是(shi)其(qi)周(zhou)圍(wei)的(de)係(xi)統(tong)和(he)軟(ruan)件(jian)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，圍(wei)繞(rao)高(gao)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)整(zheng)體(ti)集(ji)成(cheng)、嵌入式軟件和連接方法可幫助實現智能檢測解決方案
，從而大大增強信息的質量和利用率，同時又不影響同樣重要的安全和可靠性。

 

 

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