本文介紹了空間和運動迷失方向的問題。它還包括微機電（MEMS）慣性傳感器在解決此問題上的作用。此外，它討論了阻礙MEMS收集可能實現的最準確數據的最常見障礙。

兒童和狗可以輕松地定向自己并控制體操運動。有些人可能認為這就像“玩耍的孩子”一樣容易，直到他們試圖使機器或機器人復制這一壯舉。以人為本的系統非常復雜，當我們在地面上時，就做得很好。相反，在駕駛飛機時，我們處于陌生的三維環境中。這與減少的視覺定向線索相結合，會使空間（定向）定向變得困難或無法管理。在所有通用航空事故中，有5％至10％可歸因于空間迷失方向，其中90％是致命的。

微機電（MEMS）慣性傳感器通過設計對運動敏感。它們有效地檢測和處理線性加速度，磁航向，高度和角速度信息。為了充分利用慣性傳感器的性能潛力，設計人員必須始終了解整體機械系統，并密切注意應用中的運動源和共振。

在本文中，我們描述了MEMS慣性傳感器（例如陀螺儀和加速度計）如何幫助某人或某物克服空間定向問題。我們將說明外力和運動將如何影響系統運行，以及組件的放置和安裝條件（空間關系）如何直接影響MEMS慣性傳感器的性能。考慮到許多潛在的系統配置（例如，電路板尺寸，材料，安裝方法），設計人員需要針對每種應用調整獨特的解決方案。我們展示了如何做到這一點：檢測和減輕錯誤的慣性信號。我們提出了一些切實可行的建議，以增強傳感器系統的運行，在實際環境中以及何時出現不期望的機車信號和系統共振的情況下。

了解平衡，人類，

我們首先討論平衡。考慮一下人耳。在圖1中，耳蝸是聽力的器官。耳鼓通過我們身體上一些最小的骨頭搖動耳蝸。耳蝸含有很少的毛發或纖毛，充滿了液體。隨著耳蝸的移動，流體不會因為慣性而移動。纖毛感覺到這種運動差異，并將神經沖動傳遞給我們的大腦，這些沖動被解釋為聲音。

人耳還包含用于平衡（也稱為平衡）的運動檢測系統。三個半圓管的功能類似于垂直陀螺儀，可檢測并發送有關人的平衡狀態的沖動信號到大腦。不幸的是，我們感知運動的方式是有限的。

如果運動小于每秒約2度，我們將忽略它。如果平穩運動的時間超過20到25秒，我們將停止感測運動。這些人為限制會引起混亂。內耳還有另外兩個感覺器官：囊細胞感覺到線性加速度，而球囊感覺到重力。耳朵中的所有五個傳感器通過告知大腦有關身體的位置和運動來幫助我們達到平衡或平衡。這與我們的眼睛一起，可以幫助我們保持平衡，并在頭部移動或身體旋轉時將眼睛聚焦在一個物體上。

MEMS慣性傳感器需要救援

人體可能會上當，在某些情況下，必須依靠外部幫助來保持良好的平衡。MEMS慣性傳感器具有人體對空間定向的敏感性，因此提供了一種解決方案。正確安裝的慣性傳感器可用于建立慣性框架參考，幫助用戶識別方向和/或運動。使用這些設備可以避免潛在的有缺陷的感知。

為了確保慣性傳感器的運行堅固性，必須正確安裝和定向它們。組裝慣性傳感器有良好的設計規范，如果正確應用，它們會產生高性能的系統。

放置注意事項

讓我們從定位開始。相對于某些基準放置慣性傳感器（通常參考選定的PCB側面完成），并通過表面安裝回流工藝保持該定位是一項艱巨的工作。此外，組裝的每個級別（傳感器到封裝，封裝到PCB，PCB到外殼等）都會增加對準誤差。由于傳感器組件的方向（相對于慣性框架）決定了系統的精度，因此必須將此處的任何錯誤最小化。圖2說明了不完全定向的誤差。軟件可以校準失準，但是如果此誤差源不受限制，則高階效應可能會降低傳感器性能。

熱機械應力是錯誤的隱患。它會以慣性傳感器上的熱梯度形式暴露自己，從而引起封裝應力，而PCB中的熱梯度會使其自身暴露出來，從而將應力傳遞給慣性傳感器。這些熱效應有時難以區分，并且在某些情況下都同時存在。結果就是封裝應力，這可能會導致偏置（即偏移）和靈敏度性能誤差。理想情況下，重要的發熱設備的位置應遠離慣性傳感器，這在我們緊湊的PCB設計領域有時很難滿足。無論如何，必須盡一切努力將慣性傳感器放置在遠離熱源的位置，以最大程度地減小溫度梯度。

機械系統注意事項
外部運動源（例如，慣性信號，沖擊，振動）可能會無意間引起PCB諧振。在最壞的情況下，可能會出現虛擬慣性信號，這些信號是系統共振的產物。這些錯誤信號充當噪聲，掩蓋了感興趣的信號（例如，機車和/或振動的信號）。當發生共振條件時，相對于PCB上波谷波峰位置的慣性傳感器位置可能會導致信號檢測性能下降。

圖3顯示了慣性傳感器在PCB上的兩種可能的放置方式，并突出顯示了主諧振模式。左下位置在（藍綠色）節點區域中顯示一個傳感器。與位于PCB右上方的傳感器相比，這是減輕與共振相關的角速率信號的地方。第二個慣性傳感器位于節點區域和傾斜到波谷之間的邊緣上（以深藍色顯示），該傳感器處于不平衡位置，在激發共振條件下更容易產生加速度和角速率信號損壞。

盡管有許多技術可以減輕PCB的共振（例如，電路板加固，系統阻尼，隔振），但應該對整個機械系統進行全面分析。應該執行有限元分析（FEA）以識別所有潛在的共振模式及其相關的頻率和Qs。然后可以實施好的設計技術來增強性能。

結論

我們研究了運動，并了解了MEMS慣性傳感器對克服空間定向的重要性。我們還討論了MEMS慣性傳感器的性能如何因不良和非理想的放置，安裝條件以及系統諧振而受到負面影響。

Maxim Integrated提供具有高精度和穩定性的慣性傳感器產品。例如，MAX21100是單片式3軸陀螺儀，外加3軸加速度計慣性測量單元（IMU），集成了9軸傳感器融合技術，采用了專有的運動合并引擎（MME）。該設備非常適合手機和平板電腦應用，游戲控制器，運動遙控器和其他消費類設備。

通過遵循適當的設計考慮，您可以“導航”這些“多巖石的”事件，并獲得MEMS慣性傳感器所期望的性能。

編輯：hfy