在消費電子設備中集成MEMS運動處理方案
加入技術(shù)交流群
這場變革的推動力量是基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的消費級慣性測量單元(IMU)。與六軸運動處理技術(shù)相結(jié)合，這些器件可為手持消費電子產(chǎn)品的導航和控制提供更簡單并符合直覺的用戶接口，從而解決這些復雜設備使很多用戶感到困惑的操作復雜性問題。
這種基于MEMS運動處理的六軸控制得以實現(xiàn)的關(guān)鍵器件是最近推出的體積更小、成本更低、性能更高、可與現(xiàn)有的三軸MEMS加速度計相結(jié)合三軸MEMS陀螺儀。
本文將給出一個六軸運動處理方案，并探討把這種技術(shù)整合到日用消費電子系統(tǒng)中時需要考慮的關(guān)鍵問題。在使用六軸運動處理實現(xiàn)新的設計時，確保符合本文給出的四個關(guān)鍵因素可提高整合效率，并使最終的用戶設備具有卓越的性能。
運動處理應用
在電子娛樂展覽會(E3)上，三大游戲機品牌都展示了為其當前或下一代系統(tǒng)開發(fā)的運動驅(qū)動型人機接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運動處理方案。一些游戲軟件開發(fā)商迅速推出了可利用六軸運動處理功能的新游戲：任天堂將在2009年7月推出Wii Sports游戲的續(xù)篇Wii Sports Resort。早期的產(chǎn)品評估顯示，使用運動處理技術(shù)實現(xiàn)的屏幕游戲控制對控制器運動有較高的跟蹤精度，并實現(xiàn)了1:1跟蹤。
由于消費者已接受了三軸加速度計所提供的新特性，手機將是運動處理的下一個前沿領域。蘋果公司的iPhone就是一個很好的例子。目前，蘋果在繼續(xù)開發(fā)獨特的運動傳感應用，包括為其iPhone3.0增加在復制和粘貼過程中通過晃動撤消操作的shake-to-undo(晃動撤消)功能等。向未來的手機和其它手持消費電子系統(tǒng)增加六軸運動處理可以以更高的精度、準確度和反應能力向軟件開發(fā)商提供手機在三維空間的絕對位置，進而使之具有控制臺游戲性能。
這是一個快速變化的環(huán)境，在過去，帶有傳統(tǒng)的按鈕和滑輪的產(chǎn)品率先上市曾經(jīng)是設計取勝的關(guān)鍵；而今，成功將取決于誰可以創(chuàng)造出最有吸引力的用戶體驗，因為依靠六軸運動處理，復雜的控制和導航指令現(xiàn)在可用普通的手勢動作來執(zhí)行。
運動處理方案
提供運動處理能力的關(guān)鍵技術(shù)，就是傳統(tǒng)上用于測量絕對旋轉(zhuǎn)速率的陀螺儀。振動質(zhì)量陀螺儀利用科氏加速度在一個結(jié)構(gòu)的兩個共振模式之間產(chǎn)生的能量傳遞，科氏加速度出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)參照坐標系中，并與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，參見圖1。陀螺儀通過測量科氏加速度來獲得角速度(Ω)。
圖1：科氏加速度出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)參照平面中，與旋轉(zhuǎn)速率成正比
雖然加速度計可為簡單的方位和傾斜應用提供基本的運動傳感，但在光學圖像穩(wěn)定(OIS)等更復雜的應用中，卻存在一些影響加速度計操作和性能的限制。加速度計只能提供線性和向心加速度、重力和振動的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線性運動信息的某個分量。在運動處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉(zhuǎn)運動。
為校正加速度計的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商使用磁力計來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實現(xiàn)的傳感功能。這些器件確定手持設備相對于磁北方向的旋轉(zhuǎn)運動，并通常用于調(diào)整地圖的顯示方向以使之與用戶當前面對的方向相對應。磁力計無力實現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)測量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場時(如存在揚聲器、音頻耳機)，甚至當設備周圍存在鐵磁材料時，數(shù)據(jù)易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準確、無延遲的旋轉(zhuǎn)測量，且不受磁、重力或其他環(huán)境因素的任何外力影響的慣性傳感器。
基于硅MEMS的技術(shù)不但帶來了可滿足消費電子產(chǎn)品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達到具有挑戰(zhàn)性的每軸低于$1.00美元的行業(yè)成本目標，另外，這種新型陀螺儀也滿足手機、游戲控制器、遙控器和便攜導航設備對封裝尺寸和旋轉(zhuǎn)傳感精度的要求。體積小、性能高、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計已經(jīng)使運動處理方案成為現(xiàn)實。
既需要陀螺儀，也需要加速度計
要滿足最終用戶的功能預期，需要獲得三軸旋轉(zhuǎn)運動和三軸直線運動的信息。一個常見的誤解是，要使手持系統(tǒng)具有運動處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計，即只需二選一。確實，已經(jīng)有業(yè)界分析師提出這樣的問題，“哪一個將在運動傳感器競賽中獲勝？”
事實上，要準確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運動，需要設計者同時用到陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應的旋轉(zhuǎn)檢測；單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線性或傾斜運動但旋轉(zhuǎn)運動被限制在一定范圍內(nèi)的應用。但同時處理直線運動和旋轉(zhuǎn)運動時，就需要使用陀螺儀和加速度計的方案。
在跟蹤傾斜和旋轉(zhuǎn)運動時，加速度計在設備不運動時提供更準確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設備運動時測量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來把加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)準確的旋轉(zhuǎn)測量。
圖2：傳感器融合算法把加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可覆蓋更寬的運動信號頻率范圍
在設計運動處理系統(tǒng)時需要考慮的因素
要在消費電子應用中實現(xiàn)六軸運動處理功能，工程師面臨著選擇要么把來自不同廠商的陀螺儀和加速度計組裝起來、要么選擇由縱向集成的運動處理供應商所提供的全集成方案。每種方法都有優(yōu)點和挑戰(zhàn)，在選擇運動處理時，應考慮以下有關(guān)互操作性的因素：
1. 為最大限度地增大運動處理功能的價值，設計應包含多種應用，如GPS導航方位協(xié)助、移動游戲和基于運動的用戶接口。這些應用對陀螺數(shù)據(jù)采樣速率的要求各不相同，須使用針對特定應用設計的低通濾波器(LPF)來防止混疊以保證運動數(shù)據(jù)的準確性。
2. 由于要通過數(shù)學積分來確定陀螺儀的角度，必須有準確的同步數(shù)據(jù)。
3. 對加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)同步采樣以確保高質(zhì)量的位置坐標信息。
4. 應保證陀螺儀的驅(qū)動、傳感和諧波頻率相互間不干擾，也不與系統(tǒng)內(nèi)的任何其它頻率相互干擾。
通常在陀螺儀和加速度計的產(chǎn)品選型指南上可找到其核心規(guī)格參數(shù)，但有必要把傳感器指標與其典型應用結(jié)合起來。表1給出了各種模擬陀螺儀應用對滿量程范圍(以度/秒(dps)為單位)和靈敏度(以毫伏/dps為單位)的要求。在運動處理方案中也常常使用數(shù)字加速度計，其滿量程范圍用額定g值給出，靈敏度以LSB/g給出。
表1：不同應用的陀螺儀靈敏度和滿量程范圍的典型值 
由于噪聲和信號帶寬要求通常隨所進行的動作發(fā)生變化，運動應用系統(tǒng)一般要求具有靈活的濾波功能。主要使用的濾波技術(shù)可分成兩類：在模擬域，通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)抗混疊濾波器或RC(阻容)電路來完成；在數(shù)字域，在ADC之后由數(shù)字處理器完成?？偸切枰M濾波器以便防止產(chǎn)生混疊信號。
對于不同帶寬的運動處理應用，最佳選擇是在模擬濾波的后面包含可編程數(shù)字濾波器。一些游戲應用有不同的帶寬要求，例如，某些體育類游戲通常包含要求快速運動，因而要求更寬的帶寬，而對于其它需要繪圖或?qū)ζ聊徊藛芜x項做出選擇的游戲，則必須達到更高的精度，這時，應優(yōu)先選擇帶寬較窄和噪聲較低的濾波器。
具有運動處理功能的移動設備可使多種應用系統(tǒng)(如游戲機、
評論