简介
用于室内导航以及处理杂乱、具有环境应战性的状况时，传感器可改进体系区别实践运动与反常运动的才干。
导航一般与轿车、飞机及船只相关。但是，在工业和医疗保健范畴，精细导航正日益广泛地运用于从工厂机械和手术机器人到应急呼应盯梢的各种运用。现有多种与定位、转向和引导设备相关的办法，可用于取得方位、方向和运动信息。事实上，许多运用已遍及依托于GPS(全球定位体系)。但是，当涉及到室内导航以及处理更杂乱、更具环境应战性的状况时，单靠GPS已无法满意需求。
针对上述运用，可运用各类传感器来改进体系区别实践运动与反常运动的才干。某一传感器处理特定导航问题的才干不只取决于该传感器的功用水平，一起也取决于该运用特有的动态特性。和处理一切杂乱规划问题相同，首要需求了解终究运用的方针和约束，由此可将各项要害功用参数进行排序，然后大致了解所需的传感器，然后经过细心的传感器调度、集成和处理，对实践规划进行优化。
了解导航问题
咱们首要来打一个比如：假定您正在作业，想来杯咖啡，所以您动身去找咖啡壶。假如您之前去过放咖啡壶的当地，您的脑海中就会构成一条道路。不过，沿途您还需依托各种感知，包含视觉、听觉、平衡，乃至触觉等，才干抵达该方位。您本身的处理器会结合运用各种感知来历，以及某些嵌入式的模式识别，假如命运欠好，您或许还得暂停下来，寻求一些外部输入，即方向。在整个过程中，您所依托的本身传感器不只需求逐一坚持准确，还有必要默契合作，必要时可拒绝误导信息(周围隔间飘来的咖啡滋味)，并寻求其它传感器的协助。在抵达目的地的过程中，您所选用的技能与车辆、手术仪器和机器人导航体系的规划人员运用的技能并无不同。
将上述比如扩展到工业范畴，会涉及到多种传感技能，而这些技能中，无一能够独力满意大多数运用需求。正如此前所提及的，由于障碍物会阻挠卫星接纳，GPS简略犯错，要么下降全体精度，要么下降更新速率。另一种常见的导航辅佐设备是磁力计，它需求四通八达地拜访地球磁场，尽管这一条件一般能够完成，但工业环境中还存在许多现场搅扰，使得磁力计的牢靠性不尽善尽美，能间歇性坚持牢靠运转已属万幸。光学传感器会遇到视野遮挡问题，尽管惯性传感器一般不受这些搅扰影响，但也有某些本身的约束性，例如缺少肯定参照(哪个方向是北?)。表1列出了各类首要导航传感器的相对优势和潜在问题。
表1. 传感器的优势/约束
传感器的挑选与处理
除了处理最简略的问题外，大多数处理方案都依托多种类型的传感器来供给各种条件下所需的精度与功用。惯性传感器，例如依据微机电体系(MEMS)的加快计和陀螺仪，有潜力彻底补偿其它传感器类型的缺陷，由于此类传感器能够避免许多搅扰，并且不需求外部基础设施(无需卫星、磁场、相机…只需求惯性)。
MEMS惯性传感器牢靠性高(在轿车行业具有20年的运用前史)，功耗低，尺度小，它在手机和视频游戏范畴的成功运用充沛标明，它具有很强的商业吸引力。但是，不同器材的功用水平大不相同，适宜游戏的器材并不能处理从前所述的高功用导航问题。例如，精细工业和医疗导航所需的功用水平一般比消费电子设备所用MEMS传感器的功用水平高出一个数量级。
在大多数状况下，器材的运动较为杂乱(超越一个轴)，因而需求运用全惯性丈量单元(IMU)。IMU可集成多达6自由度的惯性运动检测——三个线性自由度、三个旋转自由度(见图2)。
例如，ADI公司的ADIS16334 iSensor IMU具有处理大多数工业导航问题所需的集成度和功用，规划紧凑，适用于许多工业外表及车辆(见图1)。许多状况下还能集成4个或4个以上的额定自由度，包含三轴磁性检测、单轴压力(高度)检测。
图1. 6自由度运动检测，选用11 mm × 22 mm ×33 mm封装
正如此前所描绘的，任何类型的传感器都有其约束性，假如这些约束性对体系功用方针产生影响，规划人员能够在选用补偿技能的一起兼并多种类型的传感器。例如，惯性丈量单元输出高度安稳的线性和旋转传感器值，可对下列影响进行补偿：
• 温度和电压漂移
• 偏置、灵敏度和非线性度
• 振荡
• X、Y、Z轴对准差错
惯性传感器的质量不同，漂移度也不同，有时也可运用GPS或磁力计来纠正该漂移。除了杰出的传感器规划外，导航运用的中心应战在于确定要依托哪些传感器以及何时依托这些传感器。惯性MEMS加快计和陀螺仪的运用已证明，它们是杰出的弥补手法，有助规划人员规划出功用完善的检测体系。
图2. 惯性丈量单元捕捉杂乱多轴运动
运用MEMS惯性传感器进行规划
在工业或医疗室内环境中，没有GPS信号，却存在机械、电子办法引起的磁搅扰，规划人员有必要树立较为新颖的机械导航办法。许多新式运用(如手术东西导航)所需的精度水平大大高于轿车导航等要求。在这些状况下，可选用惯性传感器，此类传感器可在视野遮挡或存在对非惯性传感器有晦气影响的其它搅扰源时，供给坚持精度所需的航位计算导航。
图3显现了一种通用惯性导航体系(INS)，可用于车辆、飞机、手术东西等任何设备的导航。INS类型中包含了一个卡尔曼滤波器，该滤波器在阿波罗登月计划中初次运用，现在广泛运用于移动通信中的锁相环。它供给的机制可兼并多个有长处、但并不完美的传感器，然后最有效地预算出方位、方向和全体运动动力学特性。
在手术运用中，INS可用作导航辅佐设备，以依据患者的共同身体特征，将人工关节(例如膝关节或髋关节)进行对准。除了改进对准功率以进步舒适度，并完成更快、更无创的手术之外，运用正确的传感器还有助于避免手颤、减轻疲惫。近年来，光学对准已成为了纯机械对准的弥补手法，但是，就和车辆导航中的GPS遮挡问题相同，手术室中也有潜在的视野遮挡问题，会约束光学传感器的精度。惯性导航的手术对准东西不存在视野问题，一起还在尺度、本钱、自动化方面具有潜在优势，因而可为光学导航供给弥补，乃至取而代之。
尽管处理导航问题的基本原理在不同运用中都是共同的，但有必要充沛了解终端体系的详细特性。这些特性终究会影响适宜的传感器类型的挑选，还会影响全体功用。
在消费运用激烈寻求小尺度、低功耗、多轴惯性传感器的一起，某些传感器开发人员相同高度重视可用于各种条件下的高精度、低功耗、高功用紧凑型传感器。这些高精度、环境适应才干极强的传感器正在不断发展，这一趋势在工业、仪器、医疗商场掀起了新一轮的MEMS惯性传感器运用浪潮。
图3. 惯性导航体系，在卡尔曼滤波器的辅佐下兼并多种类型的传感器
