MEMS陀螺儀在各領(lǐng)域都有哪些應(yīng)用？案例分析

MEMS陀螺儀是第三代陀螺儀的代表，MEMS隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)等學(xué)科的興起，又基于科里奧利振動(dòng)效應(yīng)和微納加工技術(shù)，MEMS陀螺儀開始出現(xiàn)。ER-MG2-50/100作為MEMS陀螺儀中的高精度陀螺儀，具有體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉、便于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，解決了第一代和第二代陀螺儀體積質(zhì)量大、成本高的缺點(diǎn)，精度和穩(wěn)定性不斷提高。它在陀螺儀市場(chǎng)占有重要地位，率先在汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。隨著性能的進(jìn)一步提高，MEMS陀螺儀的應(yīng)用也已擴(kuò)展到工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，使其在慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到極大拓展。

最便宜和被廣泛使用的MEMS陀螺儀使用了盡可能少的模擬電路，數(shù)字電路基本沒有。這些陀螺儀的輸出阻抗相對(duì)較高，輸出信號(hào)中存在較大值的直流偏置。因此減少直流偏置和提高輸入電路阻抗的重?fù)?dān)落在了系統(tǒng)設(shè)計(jì)師身上。

如今，MEMS陀螺儀被廣泛用于各種消費(fèi)類設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)的圖像防抖、筆記本電腦的硬盤保護(hù)和數(shù)字羅盤。陀螺儀還在汽車的電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。隨著工業(yè)和消費(fèi)類機(jī)器人的發(fā)展，陀螺儀將有望在這兩個(gè)市場(chǎng)大顯身手，并有助于滿足組裝線上提高自動(dòng)化程度的要求。在機(jī)器人中，陀螺儀將有助于自動(dòng)控制系統(tǒng)控制機(jī)器人手腳的移動(dòng)和平衡。

MEMS陀螺儀的應(yīng)用：

MEMS陀螺儀定位功能

利用陀螺儀可以對(duì)GPS和電子羅盤進(jìn)行補(bǔ)充。例如在隧道或停車場(chǎng)等地，GPS會(huì)丟失信號(hào)，這時(shí)陀螺儀可以根據(jù)車子運(yùn)動(dòng)的方向和速度，輔助盲區(qū)導(dǎo)航;在立交橋等立體道路上，GPS無法識(shí)別汽車在哪一層，陀螺儀則可以通過偵測(cè)到汽車上坡的動(dòng)作，根據(jù)速度推算汽車到了第幾層。盲區(qū)導(dǎo)航功能如果用加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)，需要先去除重力加速度，測(cè)得線性加速度，再根據(jù)車速推算車的行徑軌跡，運(yùn)算起來比較復(fù)雜;而如果用電子羅盤來實(shí)現(xiàn)盲區(qū)導(dǎo)航時(shí)，則容易出現(xiàn)漂移，需要對(duì)導(dǎo)航儀畫“8”字形進(jìn)行校正，從而識(shí)別和去掉雜磁。這個(gè)校正的動(dòng)作對(duì)司機(jī)來說很不方便，但如果配合陀螺儀使用，則可以在很小的位移范圍內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)電子羅盤的校正。

影像防手震

目前有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是EIS(電子防手震)，另一種是OIS(光學(xué)防手震)。陀螺儀目前已經(jīng)被廣泛使用在了EIS上，通過兩軸陀螺儀檢測(cè)到手震動(dòng)，快速實(shí)現(xiàn)幾次重復(fù)拍照，然后把手震動(dòng)前后拍下的照片中影像重復(fù)的地方切下來。如果配合電子羅盤使用，還可以做到絕對(duì)位置的修正。用陀螺儀實(shí)現(xiàn)防手震有很多好處，比如精確，使得圖片疊加的質(zhì)量更好;陀螺儀檢測(cè)到的是攝像頭本身的震動(dòng)，可以與物體的震動(dòng)區(qū)分開來，避免誤操作;同時(shí)還可以與其他傳感器做配合等。陀螺儀應(yīng)用在游戲機(jī)中時(shí)，只需要6%的精度就夠用，而手機(jī)需要的精度高很多。Invensense現(xiàn)在有1%精度的產(chǎn)品供手機(jī)使用，在2011年上半年，就將有實(shí)現(xiàn)了影像防抖動(dòng)技術(shù)的手機(jī)面市。當(dāng)手機(jī)借助陀螺儀實(shí)現(xiàn)了EIS之后，對(duì)可視電話功能有很大的幫助。因?yàn)橛跋穸秳?dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)量很大，陀螺儀對(duì)影像進(jìn)行防抖處理后數(shù)據(jù)量將大幅減少，再傳輸時(shí)既可以節(jié)省無線帶寬，又可提高幀幅，從而優(yōu)化視頻的清晰度和流暢度。

在載人航天中的應(yīng)用

航天器交會(huì)對(duì)接是載人航天工程的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而航天器相對(duì)定姿又是在交會(huì)對(duì)接中首要解決的關(guān)鍵問題。我國載人航天飛船的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)使用的是撓性捷聯(lián)慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量飛船轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率及平移加速度。載人航天飛船的手控交匯對(duì)接制導(dǎo)與控制系統(tǒng)使用的是捷聯(lián)慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量飛船轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率及平衡加速度，同時(shí)負(fù)責(zé)手動(dòng)交匯對(duì)接任務(wù)。目標(biāo)飛行器的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)使用的是光纖陀螺組合，用于測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)角速率，以控制穩(wěn)定飛行器的姿態(tài)，保證飛行器的穩(wěn)定性，同時(shí)，還負(fù)責(zé)與飛船進(jìn)行交匯對(duì)接。

資源勘探

在資源勘探中，主要用于測(cè)量井眼軌跡和鉆頭的實(shí)際位置，以保證井深達(dá)到預(yù)定位置。隨著石油資源勘探開發(fā)的日益復(fù)雜，對(duì)精度更高、性能更可靠的石油傾角儀提出了更高的要求。慣性技術(shù)的應(yīng)用可以滿足這一需求。利用高精度、高分辨率的ER-MG2-300/400，在鉆井過程中精確測(cè)量斜角、方位角、工具面角等工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡和鉆頭位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

醫(yī)療應(yīng)用

MEMS陀螺儀在一些醫(yī)療設(shè)備中也發(fā)揮著重要作用，例如在一些生物力學(xué)分析和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中。在這些應(yīng)用中，陀螺儀可以幫助測(cè)量和記錄患者的身體運(yùn)動(dòng)，如步態(tài)分析、康復(fù)治療等。

無人駕駛系統(tǒng)

無人駕駛汽車和無人飛機(jī)都依賴MEMS陀螺儀，來幫助確定其定位和導(dǎo)航。通過感測(cè)不同軸向的角速度，無人駕駛系統(tǒng)能夠了解其在空間中的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)情況。

總的來說，MEMS陀螺儀是一種非常強(qiáng)大的傳感器，它已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且有望在未來發(fā)揮更大的作用。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們可以期待MEMS陀螺儀將繼續(xù)改變我們的生活，幫助我們更好地理解和掌握物體的運(yùn)動(dòng)。