【導(dǎo)讀】無(wú)論是在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流業(yè)、能源業(yè)、汽車(chē)業(yè)還是無(wú)人機(jī)行業(yè),機(jī)械自動(dòng)化都有望顯著提高資源效率、設(shè)備精度和安全性。為實(shí)現(xiàn)這些效益,關(guān)鍵是找出合適的檢測(cè)技術(shù)以增強(qiáng)對(duì)設(shè)備狀況相關(guān)情境的了解,使得設(shè)備的地點(diǎn)或位置成為有價(jià)值的輸入。
對(duì)此,通過(guò)指出精確地點(diǎn)或維持精準(zhǔn)定位,精密慣性
傳感器有望發(fā)揮巨大作用。在某些應(yīng)用中,運(yùn)動(dòng)是一個(gè)重要因 素,若將其位置信息和傳感器情境信息相關(guān)聯(lián),將產(chǎn)生意義重大的價(jià)值。很多情況下,尤其是在復(fù)雜或惡劣環(huán)境下工作時(shí),確定位置有著關(guān)鍵性作用。運(yùn)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(IoMT)在實(shí)現(xiàn)效率大幅提升的道路上還面臨著許多挑戰(zhàn),高性能慣性傳感器將對(duì)其發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。
傳感器推動(dòng)機(jī)器自動(dòng)化
機(jī)械設(shè)備已從執(zhí)行簡(jiǎn)單的被動(dòng)測(cè)量發(fā)展到包含嵌入式控制功能,現(xiàn)在正進(jìn)軍完全自主式運(yùn)作,這其中傳感器發(fā)揮著重要的推動(dòng)作用。無(wú)論是支持離線分析的簡(jiǎn)單測(cè)量,還是過(guò)程控制,很多此類(lèi)傳感器在孤立環(huán)境下都能充分有效地工作。獲取實(shí)時(shí)信息的需求,加上日益豐富的檢測(cè)類(lèi)型和高效處理,使傳感器融合——通過(guò)它能夠最有效地確定與多種應(yīng)用和環(huán)境狀態(tài)相關(guān)的情境——取得重要進(jìn)步。此外,在涉及多平臺(tái)交互和需要獲取歷史系統(tǒng)狀態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)中,連接技術(shù)的進(jìn)步為智能程度日益提高的傳感器系統(tǒng)提供支持,如表1所示。
表1. 傳感器集成和連接水平
這些已面世的智能型傳感器系統(tǒng)正在一些所謂的成熟行業(yè)掀起革命,把農(nóng)業(yè)變成智能農(nóng)業(yè),把基礎(chǔ)設(shè)施變成智能基礎(chǔ)設(shè)施,把城市變成智能城市。由于傳感器被部署在這些環(huán)境中以收集相關(guān)的情境信息,數(shù)據(jù)庫(kù)管理和通信方面出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn),不僅要求傳感器之間的融合,而且要求實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨時(shí)間的復(fù)雜融合(例如:對(duì)跨時(shí)間的基礎(chǔ)設(shè)施狀況、前一年的農(nóng)作物產(chǎn)量、交通狀況及模式進(jìn)行基于云計(jì)算的分析),如圖1所示。
圖1. 面向地點(diǎn)感知型工業(yè)智能檢測(cè)的集成
在機(jī)動(dòng)性很重要的情況下,需要確定情境傳感器數(shù)據(jù)的地理位置。事實(shí)上,物聯(lián)網(wǎng)很少被視為靜態(tài)。工廠、田野和醫(yī)院中的可移動(dòng)設(shè)備能發(fā)揮更大的用處,而地理位置不動(dòng)的設(shè)備的光 學(xué)傳感器也可能需要局部移動(dòng),比如轉(zhuǎn)向和對(duì)位。運(yùn)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(表2)能融合情境數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù),極大地提高數(shù)據(jù)分析的價(jià)值和效益。舉個(gè)例子,當(dāng)分析農(nóng)作物增產(chǎn)的機(jī)會(huì)時(shí),試著想象比較以下兩種情形:一是對(duì)每顆所種種子的溫度、濕度、精確位置都了如指掌,二是僅知道種子隨機(jī)播撒的農(nóng)地的溫度和土壤條件;顯然第一種情形更有利于做出準(zhǔn)確分析。
表2. 精確定位與情境交融,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)
智能機(jī)器中的慣性傳感器
在大多數(shù)智能機(jī)器中,慣性傳感器主要起到兩個(gè)作用:一是設(shè)備穩(wěn)定和瞄準(zhǔn),二是導(dǎo)航和制導(dǎo),如圖2所示(另一個(gè)重要作用是振動(dòng)分析和條件監(jiān)控,對(duì)此將單獨(dú)說(shuō)明)。GPS由于無(wú)處不在,可能被視為大多數(shù)系統(tǒng)的首選導(dǎo)航輔助手段,但在某些情況下,依賴(lài)GPS會(huì)帶來(lái)一些嚴(yán)重問(wèn)題,因?yàn)樗赡軙?huì)被阻擋。在GPS被阻擋期間切換到慣性檢測(cè)是可行的,但要求慣性傳感 器質(zhì)量足夠好,并能在此期間提供足夠高的精度。對(duì)于穩(wěn)定或伺服環(huán)路,反饋機(jī)制可能要依賴(lài)慣性傳感器,以使天線、吊車(chē)平臺(tái)、施工刀片、農(nóng)具或無(wú)人飛行器上的相機(jī)維持一個(gè)可靠的指向角。在所有這些例子中,慣性傳感器的作用已不僅僅是提供有用的功能(如手機(jī)中的手勢(shì)控制等),而是發(fā)展到要在異乎尋常的困難環(huán)境中提供關(guān)鍵精度或安全機(jī)制(參見(jiàn)表3)。
圖2. 在其他傳統(tǒng)傳感器有局限性的應(yīng)用中,慣性測(cè)量單元起到關(guān)鍵的穩(wěn)定和定位作用
表3. 困難環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用對(duì)慣性傳感器提出極具挑戰(zhàn)性的要求
傳感器的質(zhì)量非常重要
有一種不切實(shí)際的說(shuō)法是,可以利用傳感器融合算法,通過(guò)編程使技術(shù)水平很差的傳感器獲得良好的性能。傳感器融合的確可用于某些校正,例如:利用溫度傳感器校正其他傳感器的溫漂,或利用加速度計(jì)(g)傳感器校正陀螺儀的重力效應(yīng)。但即使是在這些情況下,也只能依據(jù)環(huán)境來(lái)校準(zhǔn)給定傳感器,而無(wú)法提高它在校準(zhǔn)點(diǎn)之間維持性能的固有能力;也就是說(shuō),只能插值而無(wú)法維持校準(zhǔn)精度。質(zhì)量較差的傳感器通常會(huì)迅速漂移,如果不進(jìn)行廣泛和成本高昂的校準(zhǔn),精度會(huì)立即下降。
盡管如此,為使器件發(fā)揮最高性能,即使高質(zhì)量傳感器通常也需要進(jìn)行一定的校準(zhǔn)。為了以最具性?xún)r(jià)比的方式進(jìn)行校準(zhǔn),必須了解傳感器的復(fù)雜細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)的深厚知識(shí)(參見(jiàn)圖3),更不用說(shuō)需要比較獨(dú)特的測(cè)試設(shè)備。因此,校準(zhǔn)和補(bǔ)償步驟越來(lái)越多地被看成是傳感器制造商必須提供的嵌入式功能。
圖3. 從慣性傳感器提取有價(jià)值的應(yīng)用級(jí)信息需要復(fù)雜校準(zhǔn)和高級(jí)處理
將基本檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)換為有用的應(yīng)用級(jí)智能的第二個(gè)重要步驟是狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的傳感器切換。這就意味著要對(duì)應(yīng)用動(dòng)力學(xué)以及傳感器性能有廣泛深入的了解,從而最有效地在任一給定時(shí)間點(diǎn)確定可以利用和依賴(lài)的傳感器。
圖4中的概念示例說(shuō)明了傳感器融合在工業(yè)應(yīng)用中的作用。這是一種精密從動(dòng)工業(yè)應(yīng)用,通過(guò)精心選擇傳感器來(lái)滿(mǎn)足預(yù)期需求,在GPS有很大可能被阻擋,或在有復(fù)雜磁場(chǎng)和其他環(huán)境干擾的情況下保持運(yùn)作。為此必須高度依賴(lài)無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的慣性傳感器,并選擇其他傳感輔助手段來(lái)應(yīng)對(duì)特定環(huán)境挑戰(zhàn),幫助校正長(zhǎng)期慣性漂移。雖然較好的做法是對(duì)傳感器選擇進(jìn)行規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)所有條件下的精確跟蹤,但這種做法在實(shí)際上是不可行的。因此,場(chǎng)景規(guī)劃中仍存在一定的不確定性。已有算法來(lái)執(zhí)行重要的傳感器校準(zhǔn),以及管理應(yīng)用狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜傳感器切換。
圖4.傳感器融合算法依賴(lài)精密傳感器,需正確選擇以支持特定應(yīng)用環(huán)境
歸根結(jié)底,最終應(yīng)用將決定所需的精度水平,而所選的傳感器質(zhì)量將決定其能否實(shí)現(xiàn)。
表4比較了兩種場(chǎng)景,說(shuō)明了傳感器選擇對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)備精度均很重要。如果只在很有限的情況下依賴(lài)傳感器,并且應(yīng)用有較高的容錯(cuò)性,那么可以使用低精度傳感器。換言之,如果不是安全或生命攸關(guān)的應(yīng)用,相對(duì)較低的精度便足夠了。雖然多數(shù)消費(fèi)級(jí)傳感器在有利條件下噪聲很低且性能良好,但它們不適合用于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)(包括振動(dòng))下的機(jī)器,因?yàn)樾阅茌^低的慣性測(cè)量單元無(wú)法將動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)與簡(jiǎn)單的線性加速度或所需的傾斜測(cè)量區(qū)分開(kāi)來(lái)。在工業(yè)環(huán)境中工作時(shí),為實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1度的精度,應(yīng)當(dāng)選擇專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器,以便抑制振動(dòng)或溫度影響導(dǎo)致的誤差漂移。這種高精度傳感器能夠支持更大范圍的預(yù)期應(yīng)用狀態(tài),工作時(shí)間也更長(zhǎng)。
表4. 具有復(fù)雜、關(guān)鍵任務(wù)要求的工業(yè)應(yīng)用依賴(lài)高精度傳感器
高性能慣性傳感器
針對(duì)性能的設(shè)計(jì)與針對(duì)成本、尺寸、功耗效率的設(shè)計(jì)并不是互相排斥的。然而,以降低成本為主要目標(biāo)的MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常會(huì)犧牲性能,有時(shí)甚至?xí)?yán)重削弱性能。為降低成本而做出的一些簡(jiǎn)單選擇,例如縮小硅片質(zhì)量和用塑料封裝消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品等,對(duì)MEMS性能有很大的不利影響。為了從微機(jī)電器件(例如圖5所示)提取精確穩(wěn)定的信息,必須有很高的信噪比,而信噪比是由硅片面積和厚度決定的,另外還要選擇適當(dāng)?shù)钠骷庋b和系統(tǒng)外殼,使硅片受到的應(yīng)力最小。在一開(kāi)始定義傳感器時(shí)便牢記最終應(yīng)用的性能要求,據(jù)此優(yōu)化硅片、集成、封裝、測(cè)試和校準(zhǔn)方法,使得在復(fù)雜環(huán)境下也能維持原有性能,并且使成本最低。
圖5. 用于確定精密運(yùn)動(dòng)的微機(jī)電結(jié)構(gòu)
表5顯示了一款中檔工業(yè)器件的性能,并將其與手機(jī)等設(shè)備使用的典型消費(fèi)級(jí)傳感器進(jìn)行比較(注意還有更高端的工業(yè)器件,其性能比表中所示高出一個(gè)數(shù)量級(jí))。多數(shù)低端消費(fèi)級(jí)器件未提供諸如線性加速度效應(yīng)、振動(dòng)校正、角度隨機(jī)游走之類(lèi)的參數(shù)規(guī)格,而這些規(guī)格在工業(yè)應(yīng)用中恰恰可能是最大的誤差源。
表5. 工業(yè)MEMS器件對(duì)所有已知潛在誤差源進(jìn)行全面測(cè)定,通常能實(shí)現(xiàn)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)或更高的精度水平
這款工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)用于預(yù)期會(huì)有相對(duì)迅速或極端運(yùn)動(dòng)(2000 °/s、40 g)的場(chǎng)景,寬帶寬傳感器輸出對(duì)最佳地辨別信號(hào)也很關(guān)鍵。工作期間的失調(diào)漂移(運(yùn)動(dòng)中穩(wěn)定度)應(yīng)最小,以降低對(duì)一大套補(bǔ)充傳感器(用來(lái)校正性能)的依賴(lài)。在某些情況下,應(yīng)用無(wú)法為后端系統(tǒng)濾波校正提供所需的時(shí)間,此時(shí)必須使開(kāi)機(jī)漂移(可重復(fù)性)最小化。低噪聲加速度計(jì)同陀螺儀一起使用,以幫助區(qū)別并校正任何g相關(guān)漂移。
陀螺儀傳感器設(shè)計(jì)用來(lái)直接消除任何g事件(振動(dòng)、沖擊、加速度、重力)對(duì)器件失調(diào)的影響,可大幅改善線性g。通過(guò)校準(zhǔn),溫漂和對(duì)準(zhǔn)均得以校正。若不進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)校正,典型多軸MEMS器件即使集成到單片結(jié)構(gòu)中,也可能有較大對(duì)準(zhǔn)誤差,使其成為誤差預(yù)算的主要貢獻(xiàn)因素。
近年來(lái),噪聲在區(qū)分傳感器級(jí)別上所起的作用有所降低。在超出簡(jiǎn)單判定或相對(duì)靜止運(yùn)動(dòng)確定的應(yīng)用中,線性g效應(yīng)和對(duì)準(zhǔn)誤差之類(lèi)的參數(shù)成為噪聲源,通過(guò)芯片設(shè)計(jì)方法或器件專(zhuān)用校準(zhǔn)來(lái)改善它們需要付出高昂的成本。表6中的使用案例比較了實(shí)際工業(yè)MEMS IMU和消費(fèi)級(jí)IMU,二者均有比較好的噪聲性能。然而,消費(fèi)級(jí)器件并未針對(duì)振動(dòng)或?qū)?zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或校正?;诮o出的假設(shè),本例顯示了器件規(guī)格及其對(duì)誤差預(yù)算的影響??傉`差為所示三個(gè)誤差源的和方根,消費(fèi)級(jí)器件的誤差以線性g和跨軸(對(duì)準(zhǔn)誤差)為主,工業(yè)器件則實(shí)現(xiàn)了更好的平衡。最終,不考慮耐用性較差消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的其他潛在誤差源的話(huà),二者性能相差至少20倍。
表6. 在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中,線性g和對(duì)準(zhǔn)是主要誤差源;工業(yè)器件平衡了所有規(guī)格以使總誤差較低
抖動(dòng) =(噪聲 + 振動(dòng) + 跨軸靈敏度)的和方根
假設(shè)條件:50 Hz帶寬,2grms振動(dòng),100 °/s離軸旋轉(zhuǎn)
*最佳情況:未包括其他漂移因素
系統(tǒng)權(quán)衡
大部分復(fù)雜運(yùn)動(dòng)應(yīng)用需要一個(gè)全功能IMU(三軸線性加速度和三軸角速率運(yùn)動(dòng))來(lái)實(shí)現(xiàn)充分有效的定位。當(dāng)今的IMU既有芯片式(消費(fèi)級(jí)),也有模塊式(工業(yè)級(jí)),參見(jiàn)圖6中的工業(yè)IMU示例。邏輯上看,消費(fèi)級(jí)芯片式IMU的系統(tǒng)集成度似乎更高,但如果最終目標(biāo)是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中精準(zhǔn)確定運(yùn)動(dòng)狀況,則情況正好相反。工業(yè)IMU性能優(yōu)越,而且開(kāi)箱即可使用。在應(yīng)用的全壽命期間都能可靠地獲得一致的高性能,對(duì)系統(tǒng)中校正的要求(如有)極低。消費(fèi)級(jí)IMU看似全面集成且很完整,但其實(shí)需要大量額外時(shí)間、集成和成本(參見(jiàn)圖7)才能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似水平的性能(通常幾乎是不可能的),而且可能永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同樣可靠的運(yùn)作。
圖6. 6自由度慣性測(cè)量單元ADIS16460,在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中也能提供高精度水平
圖7. 消費(fèi)級(jí)器件雖然成本較低,但系統(tǒng)層面的必要開(kāi)銷(xiāo)較高,最終會(huì)影響可靠性和性能
地點(diǎn)感知型工業(yè)智能傳感器有望大幅提升機(jī)器自動(dòng)化的效率。系統(tǒng)的精度和可靠性主要取決于核心傳感器質(zhì)量,而不是其周?chē)南到y(tǒng)和軟件。盡管如此,圍繞高質(zhì)量傳感器的整體集成、嵌入式軟件和連接方法可幫助實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)解決方案,從而大大增強(qiáng)信息的質(zhì)量和利用率,同時(shí)又不影響同樣重要的安全和可靠性。
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