（物理电子学专业论文）惯性跟踪器的应用研究.pdf

摘要 摘要 三维位置跟踪系统是虚拟现实系统的关键传感装置之一。它的任务是检测有关对象的位置和朝 向( 方位) ，并将其报告给虚拟现实系统。传统的跟踪系统有：机械跟踪系统、电磁跟踪系统、光 学跟踪系统、声学跟踪系统等，这些跟踪系统在实际席用中各有一些不足之处而导致对整个虚拟系 统产生一定的限制。而且传统的应用r 科研领域的高精度跟踪系统的成本一般都很高，不适合于消 费电子领域。 近年来，随着微机械学的发展，由惯性跟踪器组成的惯性跟踪系统逐渐成为人们感兴趣的对象。 惯性跟踪系统f f l 微机械陀螺和加速度计组成。加速度计用来测量物体的加速度，陀螺用来得到角速 度，两者结合就可以推算出位置和方位了。 本课题主要研究对象是惯性跟踪器的两个重要组成部分：微机械三轴加速度计和微机械陀螺。 通过对其信号的采集和分析，对其在跟踪领域的部分应用进行尝试，这些应用包括加速度计的倾斜 传感，跌落保护，三自由度定位( 位移测量) ，以及陀螺的朝向定位，并测试其精度，抖动，延迟， 更新率等性能指标并与传统跟踪系统进行比较。论文关于现有惯性跟踪器的应用研究表明：惯性跟 踪系统虽然在更新率，无线化，低延迟，抗干扰等方面有一定优势，但也存在精度小高，抖动影响 较大的缺点，不过在追求高性价比的消费电子领域，惯性跟踪器同样具有广阔的应用前景。 本课题中另一个重要部分就是依靠单纯的三轴加速度计在游戏中手部动作识别，我们可将其归 纳为一种广义的手部位置跟踪。课题中采用基于文本分类器b o o s t e x t e r 的方案进行动作识别，最终 达到了基本可以实用的识别准确率，增强了游戏的趣味性。当然同样也尝试了在有双轴陀螺提供角 速度信息情况下的上下左右挥动动作识别，达到了更高的识别准确率。 最后在上述研究基础上，建立了一套以惯性跟踪为主要特征的桌面虚拟现实系统，利用微机械 三轴加速度计和陀螺提供的信号得出三姿态角数据控制场景摄像机视角方向，然后实时更新三维场 景。对惯性器件在跟踪系统中应用的可行性进行了总结，得出了惯性跟踪器在消费电子领域具有广 阔应用前景的结论，并提出了展望。 关键字：惯性跟踪器，微机械三轴加速度计，微机械陀螺，手都动作识别，桌面虚拟现实系统 a b s t r a c t 3 dp o s i t i o nt r a c k e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e n s o re q u i p m e n t si nt h ev i r t u a lr e a l i t ys y s t e m 1 ti s u s e dt od e t e c tt h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o no ft h eo b j e c t a n dr e p o r ti tt ot h ev i r t u a lr e a l i t y s y s t e m t r a d i t i o n a l3 dp o s i t i o nt r a c k e rs y s t e mi n c l u d e sm e c h a n i c a lt r a c k e r s ，m a g n e t i ct r a c k e r s ，o p t i c a l r a c k e r sa n da c o u s t i ct r a c k e r s t h e r ea r er e s p e c t i v es h o r t a g e si nu s ea n dt h e ya l lc o s tt o om u c h w h e nu s e d i nh i g ht e c h n o l o g yf i e l dw h i c hr e q u i r eh i g hd e g r e eo f a c c u r a c y s ot h e ya r en o ta p p l i c a b l et ot h ec o n s u m e r e l e c t r o n i c sf i e l d r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o m a c h i n e p e o p l eb e c o m em o r ei n t e r e s t e di ni n e r t i a l 仃a c k e r s i n e r t i a lt r a c k i n gs y s t e mi n c l u d e sa c c e l e r o m e t e r sw h i c hd e t e c ta c c e l e r a t i o na n dg y r o s c o p e sw h i c hd e t e c t a n g u l a rv e l o c i t y w ec a l lg e tt h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o ni n f o r l t i a t i o nb y c o m b i n i n gt h ea b o v et w o i nt h i sp a p e lw ec a r r yo u ts o m ea p p l i e dr e s e a r c h sa n da t t e m p t so ni n e r t i a lt r a c k i n gs y s t e mi n c l u d i n g m e m st r i a x i sa c c e l e r o m e t e ra n dm e m sg y r o s c o p e s b ya c q u i s i t i o na n da n a l y s i so ft h e i rs i g n a l 。w e u s em e m st r i - a x i sa c c e l e r o m e t e rt os e n s ei n c l i n a t i o n , f r e ef a l lp r o t e c t i o na n dd e t e c t3 一dp o s i t i o na n d u s em e m sg y r o s c o p e st od e t e c to r i e n t a t i o n ，b e s i d e s ，w ec o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c ei n d e x e si n c l u d i n g t u r n o v e rr a t e ，w i r l e s s a n t i - j a m m i n ga n dl o wd e l a yw i t ht r a d i t i o n a lt r a c k i n gs y s t e m o nt h eb a s i so ft h e a b o v er e s e a r c h i ts h o wt h a tt h o u g hi n e r i a l 仃a c k e ri sb e t t e rt h a nt r a d i o n a lt r a c k i n gs y s t e mi ns o m e p e r f o r l t l a n c ei n d e x e si n c l u d i n gt u r n o v e rr a t e ，w i r e l e s s a n t i - j a m m i n ga n dl o wd e l a y b u ti t sd e g r e eo f a c c u r a c yi sn o tv e r yg o o d i to n l yc a nb ew i d e l yu s e di nc o n s u m p t i o ne l e c t r o n i c sf i e l d a n o t h e ri m p o r t a n tp a r to ft h i sp a l ：i e ri st h eh a n da c t i o nr e c o g n i t i o nw i t hm 匣m s1 r i - a x i s a c c e l e r o m e t e ri ng a m e s w er e d u c ei tt oag e n e r a lk i n do ft r a c k i n gs y s t e mo fh a n d sp o s i t i o n t h i sa c t i o n i d e n t i f i t yo nt h eb a s eo fb o o s t e x t e rw a sa ni n n o v a t i o n , a n di tc a nb ea c t u a l l yu s e di ns o m ek i n d so f g a m e s t om a k et h e mm o r ei n t e r e s t i n g o fc o u r s e ，w ea t t e m p tu p d o w n l e t t r i g h th a n da c t i o nr e c o g n i t i o nw i t h t r i a x i sa c c e l e r o m e t e ra n dt w ov e r t i c a lg y r o s c o p e s a n dt h ea c c u r a c yi sh i g h e rt h a nt h eo n eb e f o r e o nt h eb a s i so f t h ea b o v et e n t a t i v ea p p l i c a t i o n ，w es e tu pad e s k t o pv i r t u a lr e a l i t ys y s t e mw i t hi n e r t i a l t r a c k e r b e s i d e s w er e a c hac o n c l u s i o nt h a ti n e r t i a lt r a c k e r s w i l ib ew i d e l yu s e di nc o n s u m p t i o n e l e c t r o n i c sf i e l da n dt h ep r o s p e c tf o rf u t u r ed e v e l o p m e n ti sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：i n e r t i a lt r a c k e r , m e m st r i - a x i sa c c e l e r o m e t e r , m e m sg y r o s c o p e s ，a c t i o nr e c o g n i t i o n o fh a n d s , d e s k t o pv i r t u a lr e a l i t ys y s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：煎童、 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：监导师 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 惯性跟踪器的概念 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术1 1 1 ，又称虚拟实境或灵境技术，这项技术原本是美国军方研究 开发出来的一项计算机技术。到2 0 世纪8 0 年代才逐渐为各界所关注，它以计算机技术为主，综合 利用二维图形技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新 发展成果，利用计算机等设备来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界， 从而使处于虚拟世界中的人产生种身临其境的感觉。在这个虚拟世界中，人们可直接观察周围世 界及物体的内在变化，与其中的物体之间进行自然的交互，并能实时产生与真实世界相同的感觉， 使人与计算机融为一体。 随着计算机技术及相关技术的发展，在计算机上实现虚拟现实技术已成为可能。虚拟现实技术 的发展与普及，改变了过去人与计算机之问枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之间的交互变得 更人性化，也同时改变了人们的工作方式和生活方式，改变了人的思想观念。 1 1 1 虚拟现实技术的系统构成 典型的虚拟现实系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成，如 图1 1 所示： 图1 1典型虚拟现实系统构成 1 计算机 在虚拟现实系统中，计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现。由于虚拟世界本身具有高 度的复杂性，尤其在某些应用中，如航空航天世界的模拟、大型建筑物的立体显示、复杂场景的建 模等，使得生成虚拟世界所需的计算量极为巨大，因此对虚拟现实系统中计算机的配置提出了极高 的要求。 2 输入输出设备 在虚拟现实系统中，为了实现入与虚拟世界的自然交互，必须采用特殊的输入输出设备，以识 别用户各种形式的输入，并实时生成相应的反馈信息。常用的方式为数据手套和空间位置跟踪定位 设备，它可以感知运动物体的位置及旋转方向的变化，通过头盔式显示器等立体显示设备产生相应 的图像和声音。通常头盔式显示器中配有空问位置跟踪定位设备，当用户头部的位置发生变化时， 空间位置跟踪定位设备柃测到的位置发生相应的变化，从而通过计算机得到物体运动位置等参数。 并输出相应的具有深度信息及宽视野的三维立体图像和生成三维虚拟立体声音。 3 虚拟现实的应用软件及数据库 虚拟现实的应用软件系统可完成的功能包括：虚拟世界中其他的几何模型、物理模型、行为模 型的建立，三维虚拟立体声的生成，模型管理技术及实时显示技术，虚拟世界数据库的建立与管理 等几部分。虚拟世界数据库主要用于存放整个虚拟世界中所有物体的各个方面韵信息。 图1 2 给出了基于头盔式显示器的虚拟现实系统示意图，该系统由计算机、头盔式显示器、数 据手套、力反馈装置、话筒、耳机等设备组成。首先由计算机生成一个虚拟世界，由头盔式显示器 东南大学硕士学位论文 输出一个立体的显示，用户可以通过头的转动、手的移动信息等与虚拟世界进行自然交互，计算机 能根据用户输入的各种信息实时进行汁算，即刻对交互行为进行反馈，由头盔式显示器更新相应的 场景显示，由耳机输出虚拟立体声音，由力反馈装置产生触觉( 力觉) 反馈。 图l - 2 基于头盔式显示器的虚拟现实系统 1 。1 2 虚拟现实技术中的惯性跟踪器 三维位置跟踪器是虚拟现实系统实现的关键技术之一l z j ，它的任务是检测相关对象的位置及其 朝向( 方位) ，主要包括用户头部和手部的t 奇= 置和姿势，并将这些信息报告给虚拟现实系统。例如， 虚拟现实系统中位置跟踪器最常见的应用是跟踪用户头部( 头盔式显示器或立体眼镜) 的位置和朝 向以确定用户的视点位置和视线方向，而视点位置和视线方向是确定虚拟世界视觉场景的最关键信 息。另一常见应用是跟踪用户手的位置和方位，而手( 数据手套或三维鼠标) 的位置和方位是基于 自然方式的人机交互工具一传感手套所必需的鼋要信息。 为了检测头和手在三维空间中的位置和朝向，需要跟踪6 种不同的运动模式，即沿x 、y 、z 轴的平移运动以及沿x 、y 、z 轴的旋转运动，如图1 3 所示。由于这6 种运动彼此相互正交，因此 使用6 个独立变量( 即沿x 、y 、z 坐标轴的平动和沿x 、y 、z 轴方向的转动，对应于描述三维对 象的宽度、高度、深度、偏转( p i t c h ) 角、俯仰( r o l l ) 角和转动( y a w ) 角六个自由度) 。可以全 面表征对象在三维空间中的具体位置及其朝向。一般地讲，位置跟踪器应能实际检测这6 个独立变 量。然而由于不同跟踪器实现的技术方法不同，某些跟踪器只能检测部分变量，或只能检测有限范 围的变量值。例如，某类跟踪器在检测水平角时，其取值范围可能仅为o o 9 0 0 ，或x 、y 、z 的取 值仅局限在半径为l m 的球体内等。 2 辩章结论 图1 3 穴自由度示意图 传统的2 维跟踪系统有：电磁跟踪系统，光学跟踪系统、机槭跟踪系统声学跟踪系统等这 些跟踪系统在具体应用中备有些局限性，如：电磁跟踪系统窖易受金属物体的干扰可能园磁场 变化引起误差。光学跟踪系统容易受视线阻挡的限制，如果被跟踪物体技其他物体挡住。光学系统 就无法工作除此之外，光学跟踪系统常常不能提供角度方向的盐据。机械l r 踪系统的特点是比较 笨重，不灵活而r 有一定的惯性。由于机械连接的限制，耐用户青一定的机械束缚。声学跟踪系统 也有定的局限性：t 作范用有限信号f 输不能受遮挡，受到温度、气压、湿度的影响受到环 境反射声波的影响 传统跟踪器中屉常见的是破性跟踪器，p o l h e m u s 公司a s c e n s i o n 公司足这个行业的先锋其 代表产品分别见田i - 4 ( a ) 所示的f = t r a k 和1 4 ( b ) 所示的f l o c ko fb ir d s 。但此类跟踪器需要连 接若电缆线，i n j 且枉电磁场受到金属的干扰时会失去精度，尤其是t 扰大的地方此类跟踪器十分不 稳定，常常采集错误，如在偏转时采集到的数据已经发生了额外的转动。 豳1 - 4 ( a ) p o l l l c m u s 公司的磁性罪踪系统f a s t r a k * 自 i ：v - n 论i 图1 4 ( b ) a s c e n s i o n 公司的碰性罪踪系统f l o c k o f b i r d s 类跟；i 箬i ；! ：蓑i ：盒墨揣濮絮簇鐾：i 从o 而t r 魁a c k e r 凳裟尝銎? 箍 便宜。 图i - 5 光学跟踪系统n a t u r a lp o i n t 近年来，惯性跟踪器成为虚扭现实技术的研究方向之”j 。惯性跟踪器一般由三个相互垂直的 陀螺与三个相互垂直的加速计构成，加连计用于测量被测目标在三个轴向的运动情况，而陀螺则用 于测量绕三个轴的旋转速度，从而可以实现对位置与朝向跟踪。构成惯性跟踪系统的惯性传感器不 需要发射器，不需要摄像机响应好。它足通过盲推得出筏跟踪物体的位置，也就是说完全通过运 动系统内部的推算，而绝不牵涉到外部环境撙到位置信皂，般来说，尽管n r 以使用基于陀螺和线 加速度计的传感器来测量完整的6 自巾度位置变化，但由于提供的足相对测量值，而不是绝对测量 值，系统的错误会随时间累加从而导致信息不正确。在实际的虚拟现实系统应用中，这类系统仅 用丁方向的测量。惯性跟踪器的主要特点是设备轻便，因此在跟踪时不怕遮挡没有视线障碍和 环境噪音等问题没有外界干扰，而且有无限犬的工作空侧，低的延迟时问，抗干扰性好、无线化 等。相对以上几种传统三维跟踪系统，较好的克服丁它们的一些不足在虚拟现实系统中有着独特 的优势。与此同时，如将惯性跟踪系统与苴他跟踪系统组合在一起使用，能更好地综合各种方法的 优点，例如：用惯性跟踪器可以提供低延迟的方向跟踪信息，使系统能够迅速地更新到正确的观察 方向- 结台电磁跟踪可以用于提供在缓慢步伐下的位置移动信息而惯性跟踪器的发展也得益于 微机槭行业的整体发展， * 一 * 传统的加述艘和陀螺儿寸部比较 咖u 精坦币e 4 舶4 i 科学技术的发展许多新的科学领 域相继出现- h 中微米纳米技术就娃诸多领域t p 引人 肚的一项前* 技术。2 0 世纪9 0 年代以米， 继微米纳米技术成功戍州于大规模集成电路制作后，h 集成电路 。艺和微机械加工工艺为基础的再 种微传巷器和微机电系统脱颍而出平均年增长率达到3 0 。微机械惯性传愍罂是其中的一个重婪 组成部分”1 。惯性忙感嚣主要由加速度审j 陀螺掏成。和微机电器件所h 有的特征一样，微加j 的 惯性传感器相比传统的器件具有尺寸小，垃小低，和电路可以单片集成等优井。目前微 ；1 1 i 惯性 测量计在微机电传感器中肄有第二太市场份额，仅敬于压力传堪器。借助 微机电技术的发展，惯 性跟踪在成本，体祝，可靠性等诸多方面相比传统j l i i 踪器有了更多的优羚及发展前景。 1 1 3 国内外惯性跟踪器的研究动态 目前国外，【寸惯性跟踪器的研究比较多，而且市场j 地有很多比较成熟的产品许多性能参数都 已经赶上传统跟踪器，但都有个共同点。那就是价格比较高。比较典型的有荷兰x s e n s 公司的 m t x ，它独立( 不需婴发射器，不需要摄像机) 而且响应好，楚一个小l 准确的3 自由度方位跟踪 仪。它提供了无漂移的三维方向及运动数据：三维加速度，三维转速度( 速率陀螺) 及三维地球磁 场。m i x 是一个对人体环节的方向i i 量优秀的模块棚这款产品的售价高达y 2 4 8 8 8 o o i ”。 罔i - 6 x s e 帖公司的m t x 惯性光学混合跟踪器 a s c n e s i o n 的3 d - b r d 也是基于惯性跟踪技术的跟踪器，同时它还采用光学技术输出高耩度的 快速跟踪数据是个混合跟踪系统。无论光学扫描仪何时被阻塞或足其跟踪范围何时超界，惯性 跟踪器仍然会继续进行无缝跟踪。因此其没有范围限制或视线的甩制。由于无磁性发射机，完全消 除了金属干扰。但它位能提供方位角的平滑跟踪，而且售价也高达￥i3 6 0 4o o 。圈1 7 持出了一千 结合s o n yl d i - 1 0 0 且盔显小器和惯性跟踪系统3 d b i r d 的虚拟现实系统。 东南大学 学镕j 图l 7 结台s o n y l d i 1 0 0 头盔和惯性跟踪系统3 d - b i r d 的虚拟现实系统 目前国内对跟踪系统的研究主要集中在电磁跟踪等传统跟踪器领域，如北京理工大学机电学 院，成都电子科技大学自动化工程学院的模式识别与智能系统方向，哈尔滨t 业大学自动化测试与 控制系，清华大学精密仪器系，解放军理上大学。上程兵工程学院，中国科学院自动化研究所等高 校或科研院所而对惯件跟踪器的研究相对来说比较少 1 2 课题目的与主要工作 本课题主要足埘惯性跟踪器的应用进行综台研究，帽对于目前应用于航天，军事，科研等领域 的高性能，高町糯性，高价格的惯性跟踪器产品而言，我们的重点主要放在强调成本胜于性能的消 费电子领域。惯性跟踪器主要部分为微机械三轴加速度计和微机械陀螺，般来说还包括通讯模块 供电模块以及控制韩工作的单片机模块等，整个系统如图1 - 8 所示： 幽l - g 惯性跟综器的一般结构图 论文具体工作包括阻下几个方面的内容： 。! ；i 嚣主挈? 鬻嚣“m a t l ”a b 睾；燃糕r 呲悯勰脯鞣期撕主要包括基于v c 平台和平台的两种采集方案。 二微机械三轴加速度甜s m b 3 8 0 的应用研究 第一章绪论 1 有关微机械三轴加速度计的丁作原理以及所使用的基于微机械三轴加速度计s m b 3 8 0 的遥 控器的设计和工作原理的介绍。 2 对微机械三轴加速度计s m b 3 8 0 的部分应用进行尝试，重点在三轴加速度计的三自由度定位 ( 位移测量) 和在3 d 游戏中的正反手动作识别( 这部分可归结为广义的手势跟踪) 。其中， 游戏中手部动作识别主要运用了文本分类器b o o s t e x t e r 的方案进行。 3 微机械三轴加速度计s m b 3 8 0 的应用研究还包括倾斜传感和跌落保护这两个方面。 三微机械陀螺x v 3 5 0 0 一c b 的应用研究 1 微机械陀螺的工作原理以及所使用的基于微机械三轴加速度计s m b 3 8 0 和微机械陀螺 x v - 3 5 0 0 c b 的遥控器的设计和工作原理的介绍。 2 对微机械陀螺的应用研究主要是其指示方位的作用及基于微机械三轴加速度计 s m b 3 8 0 和微机械陀螺x v - 3 5 0 0 c bx v - 3 5 0 0 c b 的遥控器的上下左右挥动动作识别。 四对惯性跟踪器，包括微机械三轴加速度计和微机械陀螺的性能指标进行测试，并将其与传统跟 踪器进行比较，最后简述一下惯性跟踪器误差及补偿等内容。 惯性跟踪器的性育阱e , z l 匕h 标测试主要包括：精度，抖动，延迟，更新率等。 五以惯性跟踪为主要特征的桌面虚拟现实系统的搭建 1 计算机三维场景模型的建立及导入项目主程序 2 跟踪器信号导入项目主程序并生成三姿态角数据以实现该数据对立体场景视角的实时控制 7 东南大学硕士学位论文 第二章微机械三轴加速度计和微机械陀螺的工作原理 2 1 微机械三轴加速度计工作原理 一个单轴的加速度计r f l 检测质量( 也称敏感质量) 、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成， 如图2 1 所示。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线运动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪 表壳体随着运载体沿敏感方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其 原来的运动状态不变。它与壳体之问将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力f = k x ( k 为弹簧的弹性系数，x 为弹簧的变形) 的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时 产生的惯性力f = m a ( m 为检测质量的质量，a 为加速度) 相半衡时，检测质量与壳体之间便不再有 相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。f = k x = m a ，所以a = k x m 。电位器作为位移传感 元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用 阻尼器来改善系统的动态品质。根据检查位移的方式不同，传感器可以分为微机电式、磁电式、应 变式、压电式几类。与微机械传感器相比，传统的磁电式、应变式、压电式等加速度传感器的尺寸 较大。即使是比较小型的压电式传感器，与小型的微机械传感器相比，元件的各边长大概也要大出 1 个数量级。 图2 1 单轴加速度计原理图 面向消费电子应用所开发的3 轴加速度传感器，大部分都是采用半导体工艺制作加速度检测结 构的低重力加速度微机械传感器。可测量士2 9 + 1 0 9 范围内的加速度，并在0 h z 数百h z 范围内追 踪加速度变化的微机械传感器被称为低重力加速度传感器。 微机械加速度计通常由一个悬臂梁构成，梁的一端固定，另一端悬挂着一个质量块。其简单的 工作原理【7 强图2 - 2 所示： f y - - - 霾 褊 商匿髓 2 1 方向无妇蔗发 电容或热1 1 专感嚣 f y l - - ， ( 1 ) 汝育加速匿i 一 tb ) 有加速受时 图2 - 2 微机械加速度计的工作原理 j y 方圆有加递度 微机械加速度计的原理与普通加速度计的原理类似，只不过是采用微机械技术微加工制造。当 没有加速度的时候，质量块不运动，而当有- y 方向的加速度时，质量块向此运动。通过不同的检测 方式，比如电容，热，机械等，可以得到质量块的运动位移，由于位移与加速度成一定的关系，自 8 第= m 机* = # 递度自m 机槭陀i 作目 然知道位移就可以获得加速度信息。 微机械加速度计根据检测结构的不同可分为压阻式、电容式、热思应式、压电式、力平衡式， 微机械谐振式和隧道电流式r 这几种形式的加速度h 的匣别就在于检测质量块运动的方式的不同， 对它们的命名通常也是根据检测形式来进行的。压阻式怙感器已被日本北陆电气工业及日立金属 等生产厂商所采用，而电容式贝叮多被意法半导体，燕目k i e n i x s 公司等欧美生产厂商所采用，热感 应式是美国m e m s i c 公司所独有的方式，在而向消赞电子府埘中，上述三种类犁比较昔谚，如图 2 - 3 所示。此外迁有采用破力传感器进行检月i 的方式 掺磁 l 、三 磁蔷k “魍 篚 。a 矗- #攀菇。学蛰罂 i 4 i 目4 日勺”* g n $ g m $* 自a 4 * m * 52 * # gj k - # 女m ，s m g 目3 i * “e 目女* q nt “e 1 l ” i k o x 3 5 0 x5o30 x 5 0 w m x 6 d h _7 m n m “- 1 m o0 1 i m6 r i 2 00 一0 日m 4 2 m 7 0 0 0 0( ，口o m m o1 7 压阻式加速度计 翻2 - 3 面向消费电子产品的= 轴加速度传感器 压阻式的加速度计足煅早商业化的一种微机械加速度计，它是利_ i j 硅材科的压阻效应制作的传 感器，它采取了用十字型薄针吊起检女i 质量块的结构。在加速度作用下，捡测质量块发牛移动针 就会产生变形。引上嵌 了压阻电阻值会随变形大小而变化，通过测量该电阻值的变北即可计算 加速度。通常采用的制造方法是体硅微加工工艺技术这种加速度计的主要优点在于结构简单，频 率响应高加工方便，有利于小型化。目前，采用这一方式的北陆电工 i a a m 3 2 5 b 与日h 金属 h 3 0 c d 传! 嗒器的大小在3 0 r m n x 30 r n r n x l , 0 m m 以下但它的温度漂移比较历害，灵敏度也偏低，一 般只有l i n g ( 即最小敏缚的加速度为l m g ，实际应为灵敏闻) 。 比较典型的产品是美国e g & g i cs e n s o r s 公司生产的微机械加速度传感器，其基本结构形式 如图2 4 所示，这是一种双悬臂粱结构的传葛器。该系列的侍感器既有一维加速度传感器( 如3 0 2 2 、 3 0 2 8 、3 1 4 5 、3 2 5 5 等) 也有三维加速度传感器( 如3 3 5 5 ) 测量范围有0 2 5 0 9 或o 叫o o g 等。 在军事上可用干航空航天中的飞行导航、弹药的点火控制。在民用领域可用于汽车安全气囊，模态 分析、振动试验、运动控错等。 图2 43 2 5 5 型加速度传感器 东南大学硕士学位论文 2 热感应加速度计 m e m s i c 公司生产的热感应加速度传感器产品的抗冲击性很高。由于内部没有可动部分，所以 抗冲击性可达5 0 0 0 9 。图2 5 是微机械热感应加速度传感器作用原理的示意图。在悬臂梁的端部有 一扩散加热电阻，加热电阻通电后所产生的热量全部沿梁和上下两个散热板传递，而上下两个散热 板传导热量的速率取决于加热电5 h 与散热板间的距离，沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板 间的相对位置来确定，因此可以通过分布在悬臂梁上的p 型硅铝热电偶对悬臂梁的温度测量来测定 悬臂粱与两个散热板的相对位置，从而实现对加速度的测量。 加药元件 燕圣元荇 图2 5 微机械热加速度传感器作用原理 这种传感器的优点是热电偶具有很高的灵敏度，能够直接输出电压信号，可以省去复杂的信号 处理电路，而且相对电容式传感器而言，这种传感器对电磁干扰不敏感。在恳臂梁与散热板间的间 距为1 4 0 9 m 和2 0 0 9 m ，梁长为1 0 0 9 m ，梁宽为4 9 m ，梁厚为1 0 9 m 时传感器的灵敏度为i m v g ，测 量范围为2 5 9 ，分辨率为0 0 0 3 9 。微机械热感应式加速度传感器中由于没有大的质量块，所以具有 很强的抗冲击能力。它的问题是消耗电流大，并且z 轴方向的精度和响应速度低。因为内置了热源， 消耗电流比其它公司的产品大了将近1 个数量级。z 轴方向因为是采用平面放置的温度传感器来测 量空气温度分布的立体变化，所以比x 、y 轴的精度低。即使是x 、y 轴，由于要检测空气的移动， 所以也无法支持剧烈的加速度变化。该公司产品支持的频率范围为o 1 7 h z ，比较窄。不过该公司 表示：“在人的动作及机器跌落等检测方面，我们的产品性能已足够满足消费电子产品的需要了。” 图2 - 6 给出了一个微机械热感应式加速度传感器的结构示意图。 2 图2 - 6 微机械热感应加速度传感器示意图 3 电容式加速度计 电容式的加速度计是利用电容原理，将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量。当质 量块向下运动的时候，它与电容器的另一个电极的距离发生变化，因此电容发生变化，通过检测电 容的变化就可以获得质量块运动的位移。为了得到必要的电容量，让电极呈梳齿状排列，以增大电 极面积，该类产品大多数采用了面硅微加工技术进行制造。这种形式的加速度计有如下几个优点： 灵敏度高、噪音低、低温度漂移、结构简单、良好的过载保护能力，这些优点使它能够在汽车，高 精度微重力器件中使用。因为是测量电容量的变化，所以其消耗电流小，测量值也不易被温度影响。 此外，在结构上，因为支撑检测质量块的弹簧可以做得教柔软。而且，压阻式产品的响应频率多为 数百h z ，而电容式产品大多超过i k h z 。不过，这样高频率的加速度测量应用也并不多见。但它的 不利之处在于容易受电磁干扰，由于传感器的电容量和其变化量极小，同时为减小分布电容的影响， 其调理电路必须与传感器集成在一块芯片上。此外，由于静电容量( = 电极面积) 与灵敏度之间有 1 0 第_ 章微机械三轴加速度计和微机械陀螺的工作原理 一个平衡关系，冈此电容式产品不容易小型化。不过，该问题在定程度上已经得n - ；解决。k i o n i x 公司在2 0 0 6 年3 月上市的k x p s 5 产品的外形尺寸为3 0 m m 5 0 r a m 0 9 m m ，意法半导体也于2 0 0 6 年1 1 月推出了相同大小的l i s 3 0 2 a l 样品。这类产品的尺、j 仅比压阻式加速度传感器的小型产品略 大一点。图2 - 7 给出了两种结构形式的微机械电容式加速度传感器。 图2 7 微机械电容式加速度传感器 目前市场上比较常见的电容式加速度计一般都采用差动电容式。下面先简单介绍下差动电容 基本原理： 基于差动电容原理制成的加速度计主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路构成， 可以根据测量c 得到物体的运动加速度。图2 8 所示为微机械差动电容式加速度传感器的基本原 理，中间极板( 即横梁的伸出部分) 与二个固定的外极板组成差动电容c s l 和c s 2 。没有加速度时， c s i = c s 2 ；产生加速度时，横梁的移动改变了中间极板和固定极板之间的相对位置，引起电容变化， c s i ：c s 2 。通过测量电路，将电容的变化在外加交流电压的激励下转化为电学量，能够测得该物体 相应的瞬时加速度值。 无加速度 _ l 横梁 r 瓜岍 c s l = c 有加速度 图2 - 8 微机械电容式加速度传感器 下面仔细分析一下差动电容结构的优势，电容式传感器一般分为单电容式和差动电容式二种1 9 1 ， 如图2 - 9 所示： 东南大学硕士学位论文 d 一 l 二巨一 二 = 二二= = 二一 西下亍 ( a ) ( b ) 图2 - 9 电容式传感器，( a ) 单电容式；( b ) 差动电容式 图2 - 9 ( a ) 为两平行板组成的电容器，图2 - 9 ( b ) 为两平行板中间插入极板组成的差动电容传 感器。对图2 - 9 ( a ) 而言，当忽略电容器的边界效应时： 电容器的电容量为： z sc o e , - s l = = 一 d d ( 2 1 ) 式中s 为电容器的极板面积，d 为极板的距离，晶为绝对介电常数，为相对介电常数。 如果保持d 、s 或占中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单 一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。 c o = 堕 d o ( 2 2 ) 当图2 8 ( a ) 的下极板移动，极板间距瓯减小a d 时，电容量的增量为： c ：旦一堕： d o a dd o 电容的相对变化量为： e sa d d od o a d a d a c ：竺：立 - - - 一= = - - - - - - - - - 一= - - - - - - - 一 c 。d o - a d l 一a d d o ：c o 竺 d o 一翻 当d d o 时，式2 - 4 可以展开为级数形式，即： 箜c o ：丝d ol + 鲁+ ( 鲁) 2 + ( 鲁) 3 + 1i d okj o id o ，i 忽略式2 5 中的高次项，得： c 甜 c od o 非线性误差与州哦的表达式为： = 脚毗 传感器的灵敏度为： 1 2 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第一章微机械二轴加速度计和微机械陀螺的工作原理 k = 竺a d = 型d0 2 如果采用图2 - 8 ( b ) 所示的差动式结构： c t 一篇= 等毒1a d c o 毒 幽一硝幽一一 l1 一丝 f1 c2_一ss2 兰壶一codo+ad d o l 壶l 乙= 一= 一一2 乙i - ll + 丝ll + 丝l d o ld o 差动电容传感器的输出为： c = c - 一c z = c 。i2 等+ 2 ( 等) 3 + 2 ( 鲁) 5 + l 电容量的相对变化为： 等= 2 鲁ft + ( 鲁) 2 + ( 等) 4 + 1 忽略高次项，则： a c ，、a d c od o 其非线性误差为： r2 ：( 铲 灵敏度为： 趾堡a d 2 警d2 n 差动式电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差也大大减小了。 容传感器突出优点是最大限度地减小环境影响所造成的误差。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 与此同时，差动电 电容式加速度计中比较有代表性的产品是美国模拟器件( a d i ) 公司的a d x l 系列微机械电容 式加速度传感器，该传感器的结构为叉指式，如图2 1 0 所示i t o l 。该传感器利用表面硅微机械加工工 艺与集成电路工艺相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解决了电容量小、 易受分布电容影响的问题。1 9 9 3 年投产以来，现在已经形成a d x l 系列产品。 1 3 东南大学碰十r 论女 罔2 1 0 a d x l 系列微机械电窖式加速度传感嚣 2 2 微机械陀螺工作原理 陀螺是一种角度或角速度感测组件，用以量测载具的娶势与方向，是稳定控制、惯性导航与姿 态量测重要组什- 目前在包含卫星、e 机、舰船与车辆中被广泛的使用。陀螺的分类可以概分为转 予式陀螺、光学式陀蝶阻及振动陀螺，其中振动陀螺构造简单，是借着结柯组件的振动来感测角速 度，由于是以组件振动方式感测故无转于式陀螵的启动时间限制、耗能与轴承损耗等缺点。另外 仵融加t 技术u 益进步的振动陀螺也因为构造简单而成为微机槭应用帕主要对象之一。 振动陀螺因其毗结构体之共振模态驱动，艘其耗能撮低，可瞬时起动。x 硐其无旋转组件故避 掉轴承磨耗厦运转寿命限制，且可利用微机电加工将其制成微小组件振动陀螺虽弁各式各样不酬 兴型，然均其振子、支掉、驱动、甚测及外壳等机构， 微机槭陀螺的理论基础是经典力学中科氏效应理论( t h ec o r i o l i se f k t ) 理论，即系统申速度 v 运动的质量m 存在角速度w 时，产生科氏力f ，f = 2 m w v 如图2 - 1 1 它是利用振动质置被基 座带动旋转时的科氏效应来敏鐾角速度的，从功能上看它属于单轴速率跎螺或称速率传感器，其 姿态测量原理是：敏感元件( 质量块) 在激励模态下振动，沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度， 在科氏力的作用下质量块将在三维空间的另一方向上虬敏感模卷同频率振动，其振动幅度与角速 度大小成正比相位与角速度方向有关，通过测量敏感摸态的振动就可以知道角速度。其振动频率 一般为数百至数干h z ，振幅一般为百分之几r r i 一”i 第二章微机械二轴加速度计和微机械陀螺的工作原理 图2 一n 科氏力影响 图中v 为振子的振动速度( m s ) ，w 为转动加速度( r a 彤s ) ，为科氏加速度( m s 2 ) 。 常见的振动陀螺有音叉，振动梁和振动壳等形式，其中图2 1 2 所示的音叉陀螺是比较普遍的一 种。它是利用傅科摆的原理，采用微型石英音叉振荡元件来完成旋转速率测量的。石英音叉陀螺的 工作过程是；利用石英的压电效应来驱动音叉的叉齿以彼此相差18 0 0 相位进行振动。当音又绕其长 轴旋转时产生科里奥利力，驱动音叉振荡。通过测量叉齿移动的幅度，解算出旋转速率。 左音叉振 科氏力反 图2 1 2 音叉振动陀螺 右音叉振动 音叉 石英音叉陀螺是一种利用光电技术加工的惯性器件，内部的石英部件基本都采用光刻法加工。 石英音叉陀螺体积小、能耗低、工作寿命长，但属于低精度陀螺范畴，可用于坦克的稳定装置、自 行火炮等压制兵器的测角诸方面。美国b e i 公司研制的石英音叉陀螺已用于导弹自动驾驶仪、瞄准 线稳定