如何在消費(fèi)電子設(shè)備中選擇和集成MEMS運(yùn)動(dòng)處理方案
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)的用戶接口，從而解決這些復(fù)雜設(shè)備使很多用戶感到困惑的操作復(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*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。蘋果公司的iPhone就是一個(gè)很好的例子。目前，蘋果在繼續(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
