當涉及到室內(nèi)導航和處理復雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時，可以使用傳感器來提高系統(tǒng)從異常運動中確定實際運動的能力。

導航通常與汽車、飛機和輪船有關(guān)。然而，在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，精確導航正變得越來越廣泛地應(yīng)用于從工廠機械和手術(shù)機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、方向和運動，因為它們與指向、轉(zhuǎn)向和引導設(shè)備有關(guān)。事實上，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，當涉及到室內(nèi)導航和處理更復雜和環(huán)境挑戰(zhàn)性的場景時，僅靠GPS是不夠的。

對于這些類型的應(yīng)用，可以使用各種傳感器類型來提高系統(tǒng)從異常運動中確定實際運動的能力。給定傳感器解決特定導航問題的能力不僅取決于傳感器的性能水平，還取決于應(yīng)用的獨特動態(tài)。與任何復雜的設(shè)計問題一樣，起點是了解最終應(yīng)用的目標和限制。從那里，可以對關(guān)鍵性能參數(shù)進行排序，以粗略了解所需的傳感器，然后通過仔細的傳感器調(diào)理、集成和處理進行實際設(shè)計優(yōu)化。

了解導航問題

讓我們從一個類比開始：假設(shè)你在工作，想要一杯咖啡，所以你導航到咖啡壺。如果你以前去過那里，你會想到一條路線，但一路上你依靠各種感官來到達那里，包括視覺、音頻、平衡，甚至觸摸。您自己的個人處理器結(jié)合了這些不同的來源，以及一些嵌入式模式識別，如果這是艱難的一天，您可能需要暫停并詢問一些外部輸入，即方向。在整個過程中，您依靠您的個人傳感器不僅要單獨精確，而且可以很好地協(xié)同工作，在必要時拒絕誤導性信息（即鄰居隔間的咖啡味），并依賴其他傳感器。為了到達目的地，您需要采用與車輛、手術(shù)器械和機器人機械導航系統(tǒng)設(shè)計人員相同的技術(shù)。

本例的工業(yè)推論包括各種傳感技術(shù)，其中沒有一種技術(shù)可以單獨解決大多數(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，從而降低整體精度或更新速率。另一種常見的導航輔助設(shè)備，磁力計，需要清楚地進入地球磁場，雖然這通常可以假設(shè)，但工業(yè)環(huán)境中存在許多場干擾，使磁力計的可靠性充其量是間歇性的。光學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，但確實有一些自身的局限性，例如，缺乏絕對參考（North在哪里？表 1 概述了主要導航傳感器類型的相對優(yōu)勢和潛在問題。

傳感器選擇和處理

除了最簡單的問題外，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，如基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的加速度計和陀螺儀，提供了完全彌補其他傳感器類型缺點的潛力，因為它們不受許多相同的干擾，并且不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施（沒有衛(wèi)星，沒有磁場，沒有攝像頭......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，在手機和視頻游戲中的成功應(yīng)用證明了這一點。但是，可用的性能水平存在很大差異，適用于游戲的設(shè)備無法解決前面概述的高性能導航問題。例如，精密工業(yè)和醫(yī)療導航通常需要比消費類設(shè)備中使用的MEMS傳感器高一個數(shù)量級的性能水平。

在大多數(shù)情況下，設(shè)備的運動相對復雜（多個軸），這就推動了對全慣性測量單元 （IMU） 的需求，該單元可以集成多達六個慣性運動自由度——三個線性和三個旋轉(zhuǎn)。

圖2.慣性測量單元捕獲復雜的多軸運動。

例如，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU具有大多數(shù)工業(yè)導航問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，還可以集成四個或更多額外的自由度，包括三個磁傳感軸和一個壓力（高度）傳感軸。

如前所述，任何傳感器類型都有局限性，如果這些限制會破壞系統(tǒng)性能目標，設(shè)計人員可以選擇同時實施補償技術(shù)并合并多種傳感器類型。例如，慣性測量單元輸出高度穩(wěn)定的線性和旋轉(zhuǎn)傳感器值，該值必須補償以下影響：

溫度和電壓漂移

偏置、靈敏度和非線性

振動

X、Y、Z 軸未對準

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或磁力計偶爾來校正該漂移。除了良好的傳感器設(shè)計之外，導航的一個核心挑戰(zhàn)是確定依賴哪些傳感器以及何時依賴。慣性MEMS加速度計和陀螺儀已被證明是幫助設(shè)計人員設(shè)計功能齊全的傳感系統(tǒng)的良好補充。

使用 MEMS 慣性傳感器進行設(shè)計

在 GPS 信號被拒絕且機械和電子設(shè)備引入磁干擾的室內(nèi)工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境中，設(shè)計人員必須建立不太傳統(tǒng)的機器引導方法。許多新興應(yīng)用，例如手術(shù)工具導航，也需要比汽車導航更高的精度。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。

圖 3 描述了一種通用慣性導航系統(tǒng) （INS），可用于導航從車輛到飛機再到外科醫(yī)生工具的任何東西。INS模型包含一個卡爾曼濾波器，該濾波器首先用于阿波羅登月任務(wù)，如今在移動通信中的鎖相環(huán)中普遍存在，以提供一種機制來合并多個良好但不完美的傳感器，并提供位置，方向和整體運動動力學的最佳估計。

圖3.慣性導航系統(tǒng)，借助卡爾曼濾波合并多種傳感器類型。

當應(yīng)用于外科應(yīng)用時，INS可用作導航輔助工具，根據(jù)患者獨特的身體特征對齊人工關(guān)節(jié)，例如膝蓋或臀部。

除了更好地對齊以提高舒適度以及更快、侵入性更小的手術(shù)目標外，正確的傳感器還可以幫助對抗手部震顫和疲勞。近年來，純機械對準得到了光學對準的補充，但就像用于車輛導航的GPS阻塞一樣，手術(shù)室中存在潛在的視線阻塞，限制了光學傳感器的精度。慣性引導的手術(shù)對準工具可以補充甚至取代光學引導，沒有視線問題，并且在尺寸、成本和自動化方面也具有潛在的優(yōu)勢。

盡管解決導航問題的基礎(chǔ)知識在應(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)的細節(jié)。這些最終指導選擇合適的傳感器類型以及整體性能。

在大力推動用于消費類應(yīng)用的小型、低功耗、多軸慣性傳感器的同時，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MEMS慣性傳感器在工業(yè)、儀器儀表和醫(yī)療市場中的新一輪采用。

審核編輯：郭婷