在消費電子設備中如何選擇和集成MEMS運動處理方案

對設備在三維空間中的運動進行測量及智能處理的運動處理技術(shù)，將是下一個重大的革命性技術(shù)，會對未來的手持消費電子設備、人機接口、及導航和控制產(chǎn)生重大影響。

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(lǐng)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。

振動調(diào)諧音叉質(zhì)量陀螺儀通常包含一對振幅相等、方向相反的振動質(zhì)量塊。當陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，科氏力引起與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的正交振動力。好的陀螺儀設計應具有較高的科氏加速度和較低的機械噪聲。要獲得較大的科氏加速度要求慣性質(zhì)量具有較高的速度(這個速度是在靜電力驅(qū)動下產(chǎn)生的)，要獲得高靈敏度要求集成電路(IC)放大倍數(shù)較低以降低噪聲。

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。

選擇適當?shù)倪\動處理方案需仔細分析多種因素，包括設備的滿量程范圍、靈敏度、偏移性能、噪音、交叉軸靈敏度，以及溫度、濕度和機械加速度震動對產(chǎn)品的影響。接下來我們著重討論在消費電子系統(tǒng)中聯(lián)合使用這些傳感器時需要考慮的四個關(guān)鍵因素。