對(duì)設(shè)備在三維空間中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量及智能處理的運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)，將是下一個(gè)重大的革命性技術(shù)，會(huì)對(duì)未來(lái)的手持消費(fèi)電子設(shè)備、人機(jī)接口、及導(dǎo)航和控制產(chǎn)生重大影響。
這場(chǎng)變革的推動(dòng)力量是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的消費(fèi)級(jí)慣性測(cè)量單元(IMU)。與六軸運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)相結(jié)合，這些器件可為手持消費(fèi)電子產(chǎn)品的導(dǎo)航和控制提供更簡(jiǎn)單并符合直覺(jué)的用戶(hù)接口，從而解決這些復(fù)雜設(shè)備使很多用戶(hù)感到困惑的操作復(fù)雜性問(wèn)題。
這種基于MEMS運(yùn)動(dòng)處理的六軸控制得以實(shí)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(jì)相結(jié)合三軸MEMS
陀螺儀。
本文將給出一個(gè)六軸運(yùn)動(dòng)處理方案，并探討把這種技術(shù)整合到日用消費(fèi)電子系統(tǒng)中時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。在使用六軸運(yùn)動(dòng)處理實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)時(shí)，確保符合本文給出的四個(gè)關(guān)鍵因素可提高整合效率，并使最終的用戶(hù)設(shè)備具有卓越的性能。
運(yùn)動(dòng)處理應(yīng)用
在電子娛樂(lè)展覽會(huì)(E3)上，三大游戲機(jī)品牌都展示了為其當(dāng)前或下一代系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)型人機(jī)接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運(yùn)動(dòng)處理方案。一些游戲軟件開(kāi)發(fā)商迅速推出了可利用六軸運(yùn)動(dòng)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(píng)估顯示，使用運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的屏幕游戲控制對(duì)控制器運(yùn)動(dòng)有較高的跟蹤精度，并實(shí)現(xiàn)了1:1跟蹤。
由于消費(fèi)者已接受了三軸加速度計(jì)所提供的新特性，手機(jī)將是運(yùn)動(dòng)處理的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。蘋(píng)果公司的iPhone就是一個(gè)很好的例子。目前，蘋(píng)果在繼續(xù)開(kāi)發(fā)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用，包括為其iPhone3.0增加在復(fù)制和粘貼過(guò)程中通過(guò)晃動(dòng)撤消操作的shake-to-undo(晃動(dòng)撤消)功能等。向未來(lái)的手機(jī)和其它手持消費(fèi)電子系統(tǒng)增加六軸運(yùn)動(dòng)處理可以以更高的精度、準(zhǔn)確度和反應(yīng)能力向軟件開(kāi)發(fā)商提供手機(jī)在三維空間的絕對(duì)位置，進(jìn)而使之具有控制臺(tái)游戲性能。
這是一個(gè)快速變化的環(huán)境，在過(guò)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(shè)計(jì)取勝的關(guān)鍵；而今，成功將取決于誰(shuí)可以創(chuàng)造出最有吸引力的用戶(hù)體驗(yàn)，因?yàn)橐揽苛S運(yùn)動(dòng)處理，復(fù)雜的控制和導(dǎo)航指令現(xiàn)在可用普通的手勢(shì)動(dòng)作來(lái)執(zhí)行。
運(yùn)動(dòng)處理方案
提供運(yùn)動(dòng)處理能力的關(guān)鍵技術(shù)，就是傳統(tǒng)上用于測(cè)量絕對(duì)旋轉(zhuǎn)速率的陀螺儀。振動(dòng)質(zhì)量陀螺儀利用科氏加速度在一個(gè)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)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(biāo)系中，并與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，參見(jiàn)圖1。陀螺儀通過(guò)測(cè)量科氏加速度來(lái)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(dòng)調(diào)諧音叉質(zhì)量陀螺儀通常包含一對(duì)振幅相等、方向相反的振動(dòng)質(zhì)量塊。當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，科氏力引起與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的正交振動(dòng)力。好的陀螺儀設(shè)計(jì)應(yīng)具有較高的科氏加速度和較低的機(jī)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(gè)速度是在靜電力驅(qū)動(dòng)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(jì)可為簡(jiǎn)單的方位和傾斜應(yīng)用提供基本的運(yùn)動(dòng)傳感，但在光學(xué)圖像穩(wěn)定(OIS)等更復(fù)雜的應(yīng)用中，卻存在一些影響加速度計(jì)操作和性能的限制。加速度計(jì)只能提供線性和向心加速度、重力和振動(dòng)的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線性運(yùn)動(dòng)信息的某個(gè)分量。在運(yùn)動(dòng)處理方案中，陀螺儀必須精確地測(cè)量角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
為校正加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商使用磁力計(jì)來(lái)完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能。這些器件確定手持設(shè)備相對(duì)于磁北方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通常用于調(diào)整地圖的顯示方向以使之與用戶(hù)當(dāng)前面對(duì)的方向相對(duì)應(yīng)。磁力計(jì)無(wú)力實(shí)現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)測(cè)量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場(chǎng)時(shí)(如存在揚(yáng)聲器、音頻耳機(jī))，甚至當(dāng)設(shè)備周?chē)嬖阼F磁材料時(shí)，數(shù)據(jù)易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準(zhǔn)確、無(wú)延遲的旋轉(zhuǎn)測(cè)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(lái)了可滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的每軸低于$1.00美元的行業(yè)成本目標(biāo)，另外，這種新型陀螺儀也滿足手機(jī)、游戲控制器、遙控器和便攜導(dǎo)航設(shè)備對(duì)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(jì)已經(jīng)使運(yùn)動(dòng)處理方案成為現(xiàn)實(shí)。
既需要陀螺儀，也需要加速度計(jì)
要滿足最終用戶(hù)的功能預(yù)期，需要獲得三軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和三軸直線運(yùn)動(dòng)的信息。一個(gè)常見(jiàn)的誤解是，要使手持系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計(jì)，即只需二選一。確實(shí)，已經(jīng)有業(yè)界分析師提出這樣的問(wèn)題，“哪一個(gè)將在運(yùn)動(dòng)傳感器競(jìng)賽中獲勝？”
事實(shí)上，要準(zhǔn)確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計(jì)。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)；單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動(dòng)但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時(shí)處理直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要使用陀螺儀和加速度計(jì)的方案。
在跟蹤傾斜和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)在設(shè)備不運(yùn)動(dòng)時(shí)提供更準(zhǔn)確的加速度測(cè)量，而MEMS陀螺儀在設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來(lái)把加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)測(cè)量。
圖2：傳感器融合算法把加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可覆蓋更寬的運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率范圍
選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)處理方案需仔細(xì)分析多種因素，包括設(shè)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(jī)械加速度震動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響。接下來(lái)我們著重討論在消費(fèi)電子系統(tǒng)中聯(lián)合使用這些傳感器時(shí)需要考慮的四個(gè)關(guān)鍵因素。
在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)時(shí)需要考慮的因素
要在消費(fèi)電子應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)六軸運(yùn)動(dòng)處理功能，工程師面臨著選擇要么把來(lái)自不同廠商的陀螺儀和加速度計(jì)組裝起來(lái)、要么選擇由縱向集成的運(yùn)動(dòng)處理供應(yīng)商所提供的全集成方案。每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)，在選擇運(yùn)動(dòng)處理時(shí)，應(yīng)考慮以下有關(guān)互操作性的因素：
1. 為最大限度地增大運(yùn)動(dòng)處理功能的價(jià)值，設(shè)計(jì)應(yīng)包含多種應(yīng)用，如GPS導(dǎo)航方位協(xié)助、移動(dòng)游戲和基于運(yùn)動(dòng)的用戶(hù)接口。這些應(yīng)用對(duì)陀螺數(shù)據(jù)采樣速率的要求各不相同，須使用針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的低通
濾波器(LPF)來(lái)防止混疊以保證運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2. 由于要通過(guò)數(shù)學(xué)積分來(lái)確定陀螺儀的角度，必須有準(zhǔn)確的同步數(shù)據(jù)。
3. 對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)同步采樣以確保高質(zhì)量的位置坐標(biāo)信息。
4. 應(yīng)保證陀螺儀的驅(qū)動(dòng)、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(jì)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(biāo)與其典型應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。表1給出了各種模擬陀螺儀應(yīng)用對(duì)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(yùn)動(dòng)處理方案中也常常使用數(shù)字加速度計(jì)，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(yīng)用的陀螺儀靈敏度和滿量程范圍的典型值
1：濾波要求
由于噪聲和信號(hào)帶寬要求通常隨所進(jìn)行的動(dòng)作發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)應(yīng)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(lèi)：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(lái)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(hào)。
對(duì)于不同帶寬的運(yùn)動(dòng)處理應(yīng)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(yīng)用有不同的帶寬要求，例如，某些體育類(lèi)游戲通常包含要求快速運(yùn)動(dòng)，因而要求更寬的帶寬，而對(duì)于其它需要繪圖或?qū)ζ聊徊藛芜x項(xiàng)做出選擇的游戲，則必須達(dá)到更高的精度，這時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇帶寬較窄和噪聲較低的濾波器。
具有運(yùn)動(dòng)處理功能的移動(dòng)設(shè)備可使多種應(yīng)用系統(tǒng)(如游戲機(jī)、相機(jī)圖像穩(wěn)定、用戶(hù)接口和汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng))成為現(xiàn)實(shí)，但這些系統(tǒng)對(duì)信號(hào)帶寬的要求各不相同。例如，為了捕捉信號(hào)頻率最高到10赫茲的用戶(hù)游戲動(dòng)作，可能需要采樣速率達(dá)到200赫茲，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則(要求濾掉所有頻率大于或等于采樣頻率一半的信號(hào))，要求低通濾波器(LPF)的截止頻率低于100赫茲。同樣，要采集最高到1赫茲的汽車(chē)導(dǎo)航方向信號(hào)，要求采樣頻率達(dá)到10赫茲，并要求使用截止頻率小于5赫茲的低通濾波器。
多運(yùn)動(dòng)處理功能帶來(lái)了抗混疊挑戰(zhàn)，適合游戲應(yīng)用的100赫茲低通濾波器對(duì)導(dǎo)航應(yīng)用而言可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，而5赫茲低通濾波器對(duì)游戲來(lái)說(shuō)因?yàn)榻刂诡l率太低而可能會(huì)引發(fā)延遲。對(duì)于這些需要不同濾波器帶寬的應(yīng)用，解決方法是使用滿足最寬帶寬要求的抗混疊濾波器，而使用可編程數(shù)字濾波器來(lái)適應(yīng)對(duì)噪音有更嚴(yán)格要求的應(yīng)用。
非集成運(yùn)動(dòng)處理方案(見(jiàn)圖3)可能需使用專(zhuān)用的微控制器，它連續(xù)地以100赫茲頻率采樣， 以截止頻率為5赫茲的數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波，并以10赫茲頻率輸出。該方案的缺點(diǎn)是微控制器帶來(lái)的額外成本，不適于成本敏感的消費(fèi)電子應(yīng)用。
圖3：使用多種運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)的非集成方案，需要分立的固定頻率的低通濾波器。
全集成型六軸運(yùn)動(dòng)處理方案(見(jiàn)圖4)自身包含信號(hào)處理功能，它在ADC模塊中包含固定頻率的抗混疊濾波器，并后接可編程數(shù)字LPF，無(wú)需外部信號(hào)調(diào)理和微控制器。
圖4：帶有可編程信號(hào)調(diào)理的集成運(yùn)動(dòng)處理方案，不再需要固定頻率的外部低通濾波器
2：同步精度要求
陀螺儀角度是由采樣頻率與角速度測(cè)量結(jié)果決定的，同步精度直接影響陀螺儀角度的測(cè)量精度。下面的公式給出了角度測(cè)量結(jié)果與采樣速率和角速度之間的關(guān)系：
該方程表明，陀螺儀的同步精度與角速度數(shù)據(jù)同樣重要；同步數(shù)據(jù)不精確將降低角度計(jì)算的準(zhǔn)確性。當(dāng)今的消費(fèi)電子系統(tǒng)要求微控制器提供更新顯示、報(bào)告
觸摸屏事件或回應(yīng)電話呼叫等多種同步功能。由于有這些不同的同步要求，準(zhǔn)確的陀螺同步數(shù)據(jù)更新可能不會(huì)總是以期望的速率發(fā)生，這將對(duì)角度計(jì)算產(chǎn)生不利影響。
在當(dāng)代手機(jī)中，加速度計(jì)與羅盤(pán)傳感器相結(jié)合只提供最基本的運(yùn)動(dòng)傳感功能(如傾斜傳感和絕對(duì)位置)，所以，并不進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)整合，也不關(guān)注同步不準(zhǔn)的問(wèn)題。然而，隨著越來(lái)越多的手機(jī)配備多個(gè)傳感器(包括多軸運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)所需要的陀螺儀)，需要能在加速度計(jì)和陀螺儀之間提供預(yù)校準(zhǔn)的同步計(jì)時(shí)功能從而省略微控制器的集成方案。例如，InvenSense六軸運(yùn)動(dòng)處理方案集成了三個(gè)直接與雙軸和單軸陀螺儀模擬輸出接口的高分辨率輔助ADC，以及針對(duì)多運(yùn)動(dòng)應(yīng)用而提供抗混疊功能的內(nèi)部可編程
低通濾波器。
3：運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)的同步
由于在手持消費(fèi)電子系統(tǒng)中包含多運(yùn)動(dòng)傳感器，需保證傳感器數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，對(duì)于集成型運(yùn)動(dòng)處理方案來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。同時(shí)采集加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)可達(dá)到更高的精度，但是，如果各個(gè)傳感器有各自不同的計(jì)時(shí)要求，可能就需要進(jìn)行插值運(yùn)算，這將增加運(yùn)動(dòng)算法的復(fù)雜性。
多運(yùn)動(dòng)傳感器所使用的提取數(shù)據(jù)方法可能不同，比如，你可能通過(guò)I(SUP/)2(/SUP)C接口以特定的采樣頻率從數(shù)字加速度計(jì)收集數(shù)據(jù)，但這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)微控制器內(nèi)部的較低分辨率的ADC對(duì)模擬陀螺儀的輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這兩個(gè)數(shù)據(jù)可能不匹配。緊密集成的六軸運(yùn)動(dòng)處理方案的優(yōu)點(diǎn)是可確保所有的加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)正確同步并以較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜度來(lái)獲得更高的精度。
4：頻率要求
最后一個(gè)需要考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是，工程師必須確保陀螺儀的驅(qū)動(dòng)器、傳感器和諧波頻率或任何其它成分的工作頻率不互相干擾，以便盡量減少傳感器融合輸出的失真。工作在5千赫以下并對(duì)聲音敏感的陀螺儀不能用在電視、視頻游戲、收音機(jī)、人類(lèi)語(yǔ)言、警報(bào)器、汽車(chē)或聲響報(bào)警等音頻信號(hào)源附近。消費(fèi)電子系統(tǒng)中使用的揚(yáng)聲器通常工作在20赫茲到20千赫的范圍，OIS執(zhí)行器工作在500赫茲到4千赫范圍，這些設(shè)備不會(huì)干擾InvenSense集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理器的驅(qū)動(dòng)頻率(X軸24千赫，Y軸27千赫和Z軸30千赫)。這些驅(qū)動(dòng)和傳感頻率的選擇綜合考慮了各種干擾因素，確保它們之間不會(huì)互相干擾，同時(shí)避開(kāi)了音頻頻率范圍和相機(jī)OIS執(zhí)行系統(tǒng)的頻率范圍。
運(yùn)動(dòng)處理方案必須實(shí)現(xiàn)更高水平的集成，這里提出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可對(duì)全集成運(yùn)動(dòng)處理系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)并消除把它整合到
