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克服定向障礙:裝配MEMS慣性感測器的實用方法

2014年10月08日  | Marc Smith

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兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動作。有些人認為這就像“小孩遊戲”一樣簡單,但直到他們試圖要讓機器人模仿這種本領時,才知道事實不然。人類的定向系統(orientation system)具有不可思議的複雜性。當我們在地面上時,它具有非常出色表現。但相反地,在飛機上時,我們則處於一種不熟悉的三維環境下,再加上缺少視覺定向參考,就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙(spatial disorientation)有關,其中90%具有致命的危險性。


微機電系統(MEMS慣性感測器的設計在本質上對運動非常敏感,可有效檢測和處理線性加速、磁航向(magnetic heading)、海拔和角速率(angular rate)資訊。為充分利用慣性感測器所具有的潛在性能,設計者必須熟悉整體的機械系統,密切注意應用中的運動源和諧振。


本文介紹了MEMS慣性感測器(例如陀螺儀和加速計)如何協助人或機器克服空間的定向障礙。文章中解釋了外力和運動對系統工作的影響,以及元件佈局和安裝條件(空間關係)對MEMS慣性感測器性能的直接影響。系統組態各有不同(例如電路板尺寸、材質、安裝方法),設計者需要根據具體應用設計特定的方案。文章還介紹了如何檢測並減少錯誤的慣性信號。對於實際環境中出現有害的移動信號和系統共振的情況,本文也提出了增強感測器系統工作的實用建議。


人類的平衡

圖1. 人體平衡和聽力是內耳中複雜平衡器官的一部分。

圖1. 人體平衡和聽力是內耳中複雜平衡器官的一部分。

本文首先從討論平衡開始,以人類的耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽覺器官。耳膜通過我們身體中一些最小的骨骼振動耳蝸。耳蝸長有毫毛或纖毛,並且充滿液體。當耳蝸移動時,液體由於慣性的原因並不會移動。纖毛感測這種運動差異,並將神經脈衝傳輸至我們的腦部,再以聲音的形式表現出來。


人耳也包含用於平衡的運動檢測系統。三個半規管(semicircular canal)的作用類似於相互垂直的陀螺儀,感測並將脈衝信號送至腦部,表示人的平衡狀態。不幸的是,我們感測運動的方式有其局限性。


如果運動小於2度每秒時,我們將感測不到;如果穩定運動的時間超過20至25秒,我們則會停止感測運動。這種人類的局限性會引起錯亂。在內耳中還有其他兩個感覺器官:囊體(utricule)感測線性加速度,球囊(saccule,內耳膜迷路兩囊中之小囊)感測重力。耳朵中的全部5個感覺器官向腦部傳送身體方位和運動資訊,協助我們平衡。這和眼睛一起,幫助我們維持平衡,並且在頭部運動或身體旋轉時使我們的眼睛盯住目標。


飛機中的飛行員與空間定向

飛行員都知道不要靠直覺(即不依賴於內部感觀)飛行,而是要依賴於飛行儀錶。這非常難以掌握,尤其在緊急和恐慌的情況下。


根據美國聯邦航空管理局(FAA)的資訊,飛行員受一種稱為“墓地盤旋(Graveyard Spiral)”的常見錯覺影響。這與有意識或無意識長時間傾斜轉彎後恢復水平飛行有關。例如,當飛行員開始傾斜向左轉彎時,最初會感覺到在相同方向的轉彎;如果繼續向左轉彎(約20秒或更長),飛行員就會覺得飛機不再向左轉彎。此時,如果飛行員試圖將機翼調整成水平的狀態,此一動作將會使其感覺到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(會非常強烈),他將試圖糾正右轉的感覺,從而重新進入最初的左轉。不幸的是,當這一切發生時,飛機仍在左轉,並正在下降。正在轉彎時拉起控制桿並增加動力不是一個好主意——這只會使飛機更向左轉。如果飛行員沒有認識到此一錯覺,未能使機翼調整成水平的狀態,飛機將繼續左轉並降低高度,直到撞到地面為止。


問題是MEMS陀螺儀和加速計能夠協助飛行員克服空間定向障礙嗎?


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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