對設(shè)備在三維空間中的運動進行測量及智能處理的運動處理技術(shù)，將是下一個重大的革命性技術(shù)，會對未來的手持消費電子設(shè)備、人機接口、及導(dǎo)航和控制產(chǎn)生重大影響。

這場變革的推動力量是基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的消費級慣性測量單元(IMU)。與六軸運動處理技術(shù)相結(jié)合，這些器件可為手持消費電子產(chǎn)品的導(dǎo)航和控制提供更簡單并符合直覺的用戶接口，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)雜性問題。

這種基于MEMS運動處理的六軸控制得以實現(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加速度計相結(jié)合三軸MEMS陀螺儀。

本文將給出一個六軸運動處理方案，并探討把這種技術(shù)整合到日用消費電子系統(tǒng)中時需要考慮的關(guān)鍵問題。在使用六軸運動處理實現(xiàn)新的設(shè)計時，確保符合本文給出的四個關(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。

運動處理應(yīng)用

在電子娛樂展覽會(E3)上，三大游戲機品牌都展示了為其當(dāng)前或下一代系統(tǒng)開發(fā)的運動驅(qū)動型人機接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六軸運動處理方案。一些游戲軟件開發(fā)商迅速推出了可利用六軸運動處理功能的新游戲：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)品評估顯示，使用運動處理技術(shù)實現(xiàn)的屏幕游戲控制對控制器運動有較高的跟蹤精度，并實現(xiàn)了1:1跟蹤。

由于消費者已接受了三軸加速度計所提供的新特性，手機將是運動處理的下一個前沿領(lǐng)域。蘋果公司的iPhone就是一個很好的例子。目前，蘋果在繼續(xù)開發(fā)獨特的運動傳感應(yīng)用，包括為其iPhone3.0增加在復(fù)制和粘貼過程中通過晃動撤消操作的shake-to-undo(晃動撤消)功能等。向未來的手機和其它手持消費電子系統(tǒng)增加六軸運動處理可以以更高的精度、準確度和反應(yīng)能力向軟件開發(fā)商提供手機在三維空間的絕對位置，進而使之具有控制臺游戲性能。

這是一個快速變化的環(huán)境，在過去，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)計取勝的關(guān)鍵；而今，成功將取決于誰可以創(chuàng)造出最有吸引力的用戶體驗，因為依靠六軸運動處理，復(fù)雜的控制和導(dǎo)航指令現(xiàn)在可用普通的手勢動作來執(zhí)行。

運動處理方案

提供運動處理能力的關(guān)鍵技術(shù)，就是傳統(tǒng)上用于測量絕對旋轉(zhuǎn)速率的陀螺儀。振動質(zhì)量陀螺儀利用科氏加速度在一個結(jié)構(gòu)的兩個共振模式之間產(chǎn)生的能量傳遞，科氏加速度出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)參照坐標系中，并與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，參見圖1。陀螺儀通過測量科氏加速度來獲得角速度(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

振動調(diào)諧音叉質(zhì)量陀螺儀通常包含一對振幅相等、方向相反的振動質(zhì)量塊。當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，科氏力引起與旋轉(zhuǎn)角速度成正比的正交振動力。好的陀螺儀設(shè)計應(yīng)具有較高的科氏加速度和較低的機械噪聲。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(這個速度是在靜電力驅(qū)動下產(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。

雖然加速度計可為簡單的方位和傾斜應(yīng)用提供基本的運動傳感，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操作和性能的限制。加速度計只能提供線性和向心加速度、重力和振動的總和。需要增加陀螺儀才能提取加速度的線性運動信息的某個分量。在運動處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉(zhuǎn)運動。

為校正加速度計的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商使用磁力計來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實現(xiàn)的傳感功能。這些器件確定手持設(shè)備相對于磁北方向的旋轉(zhuǎn)運動，并通常用于調(diào)整地圖的顯示方向以使之與用戶當(dāng)前面對的方向相對應(yīng)。磁力計無力實現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)測量(大于5赫茲)，而且，在存在外部磁場時(如存在揚聲器、音頻耳機)，甚至當(dāng)設(shè)備周圍存在鐵磁材料時，數(shù)據(jù)易于受到污染。陀螺儀是唯一提供準確、無延遲的旋轉(zhuǎn)測量，且不受磁、重力或其他環(huán)境因素的任何外力影響的慣性傳感器。

基于硅MEMS的技術(shù)不但帶來了可滿足消費電子產(chǎn)品成本要求的新型MEMS陀螺儀，而且有望達到具有挑戰(zhàn)性的每軸低于$1.00美元的行業(yè)成本目標，另外，這種新型陀螺儀也滿足手機、游戲控制器、遙控器和便攜導(dǎo)航設(shè)備對封裝尺寸和旋轉(zhuǎn)傳感精度的要求。體積小、性能高、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計已經(jīng)使運動處理方案成為現(xiàn)實。

既需要陀螺儀，也需要加速度計

要滿足最終用戶的功能預(yù)期，需要獲得三軸旋轉(zhuǎn)運動和三軸直線運動的信息。一個常見的誤解是，要使手持系統(tǒng)具有運動處理功能，工程師需要加入陀螺儀或加速度計，即只需二選一。確實，已經(jīng)有業(yè)界分析師提出這樣的問題，“哪一個將在運動傳感器競賽中獲勝？”

事實上，要準確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運動，需要設(shè)計者同時用到陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測；單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線性或傾斜運動但旋轉(zhuǎn)運動被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時處理直線運動和旋轉(zhuǎn)運動時，就需要使用陀螺儀和加速度計的方案。

在跟蹤傾斜和旋轉(zhuǎn)運動時，加速度計在設(shè)備不運動時提供更準確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設(shè)備運動時測量精度更高。如圖2所示，傳感器融合算法通常用來把加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)準確的旋轉(zhuǎn)測量。

圖2：傳感器融合算法把加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可覆蓋更寬的運動信號頻率范圍

選擇適當(dāng)?shù)倪\動處理方案需仔細分析多種因素，包括設(shè)備的滿量程范圍、靈敏度、偏移性能、噪音、交叉軸靈敏度，以及溫度、濕度和機械加速度震動對產(chǎn)品的影響。接下來我們著重討論在消費電子系統(tǒng)中聯(lián)合使用這些傳感器時需要考慮的四個關(guān)鍵因素。

在設(shè)計運動處理系統(tǒng)時需要考慮的因素


要在消費電子應(yīng)用中實現(xiàn)六軸運動處理功能，工程師面臨著選擇要么把來自不同廠商的陀螺儀和加速度計組裝起來、要么選擇由縱向集成的運動處理供應(yīng)商所提供的全集成方案。每種方法都有優(yōu)點和挑戰(zhàn)，在選擇運動處理時，應(yīng)考慮以下有關(guān)互操作性的因素：

1. 為最大限度地增大運動處理功能的價值，設(shè)計應(yīng)包含多種應(yīng)用，如GPS導(dǎo)航方位協(xié)助、移動游戲和基于運動的用戶接口。這些應(yīng)用對陀螺數(shù)據(jù)采樣速率的要求各不相同，須使用針對特定應(yīng)用設(shè)計的低通濾波器(LPF)來防止混疊以保證運動數(shù)據(jù)的準確性。

2. 由于要通過數(shù)學(xué)積分來確定陀螺儀的角度，必須有準確的同步數(shù)據(jù)。

3. 對加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)同步采樣以確保高質(zhì)量的位置坐標信息。

4. 應(yīng)保證陀螺儀的驅(qū)動、傳感和諧波頻率相互間不干擾，也不與系統(tǒng)內(nèi)的任何其它頻率相互干擾。

通常在陀螺儀和加速度計的產(chǎn)品選型指南上可找到其核心規(guī)格參數(shù)，但有必要把傳感器指標與其典型應(yīng)用結(jié)合起來。表1給出了各種模擬陀螺儀應(yīng)用對滿量程范圍(以度/秒(dps)為單位)和靈敏度(以毫伏/dps為單位)的要求。在運動處理方案中也常常使用數(shù)字加速度計，其滿量程范圍用額定g值給出，靈敏度以LSB/g給出。

表1：不同應(yīng)用的陀螺儀靈敏度和滿量程范圍的典型值

1：濾波要求

由于噪聲和信號帶寬要求通常隨所進行的動作發(fā)生變化，運動應(yīng)用系統(tǒng)一般要求具有靈活的濾波功能。主要使用的濾波技術(shù)可分成兩類：在模擬域，通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)抗混疊濾波器或RC(阻容)電路來完成；在數(shù)字域，在ADC之后由數(shù)字處理器完成。總是需要模擬濾波器以便防止產(chǎn)生混疊信號。

對于不同帶寬的運動處理應(yīng)用，最佳選擇是在模擬濾波的后面包含可編程數(shù)字濾波器。一些游戲應(yīng)用有不同的帶寬要求，例如，某些體育類游戲通常包含要求快速運動，因而要求更寬的帶寬，而對于其它需要繪圖或?qū)ζ聊徊藛芜x項做出選擇的游戲，則必須達到更高的精度，這時，應(yīng)優(yōu)先選擇帶寬較窄和噪聲較低的濾波器。

具有運動處理功能的移動設(shè)備可使多種應(yīng)用系統(tǒng)(如游戲機、相機圖像穩(wěn)定、用戶接口和汽車導(dǎo)航系統(tǒng))成為現(xiàn)實，但這些系統(tǒng)對信號帶寬的要求各不相同。例如，為了捕捉信號頻率最高到10赫茲的用戶游戲動作，可能需要采樣速率達到200赫茲，根據(jù)奈奎斯特準則(要求濾掉所有頻率大于或等于采樣頻率一半的信號)，要求低通濾波器(LPF)的截止頻率低于100赫茲。同樣，要采集最高到1赫茲的汽車導(dǎo)航方向信號，要求采樣頻率達到10赫茲，并要求使用截止頻率小于5赫茲的低通濾波器。

多運動處理功能帶來了抗混疊挑戰(zhàn)，適合游戲應(yīng)用的100赫茲低通濾波器對導(dǎo)航應(yīng)用而言可能會產(chǎn)生過大的噪聲，而5赫茲低通濾波器對游戲來說因為截止頻率太低而可能會引發(fā)延遲。對于這些需要不同濾波器帶寬的應(yīng)用，解決方法是使用滿足最寬帶寬要求的抗混疊濾波器，而使用可編程數(shù)字濾波器來適應(yīng)對噪音有更嚴格要求的應(yīng)用。

非集成運動處理方案(見圖3)可能需使用專用的微控制器，它連續(xù)地以100赫茲頻率采樣， 以截止頻率為5赫茲的數(shù)字低通濾波器進行濾波，并以10赫茲頻率輸出。該方案的缺點是微控制器帶來的額外成本，不適于成本敏感的消費電子應(yīng)用。

圖3：使用多種運動傳感器實現(xiàn)的非集成方案，需要分立的固定頻率的低通濾波器。

全集成型六軸運動處理方案(見圖4)自身包含信號處理功能，它在ADC模塊中包含固定頻率的抗混疊濾波器，并后接可編程數(shù)字LPF，無需外部信號調(diào)理和微控制器。

圖4：帶有可編程信號調(diào)理的集成運動處理方案，不再需要固定頻率的外部低通濾波器

2：同步精度要求

陀螺儀角度是由采樣頻率與角速度測量結(jié)果決定的，同步精度直接影響陀螺儀角度的測量精度。下面的公式給出了角度測量結(jié)果與采樣速率和角速度之間的關(guān)系：

該方程表明，陀螺儀的同步精度與角速度數(shù)據(jù)同樣重要；同步數(shù)據(jù)不精確將降低角度計算的準確性。當(dāng)今的消費電子系統(tǒng)要求微控制器提供更新顯示、報告觸摸屏事件或回應(yīng)電話呼叫等多種同步功能。由于有這些不同的同步要求，準確的陀螺同步數(shù)據(jù)更新可能不會總是以期望的速率發(fā)生，這將對角度計算產(chǎn)生不利影響。

在當(dāng)代手機中，加速度計與羅盤傳感器相結(jié)合只提供最基本的運動傳感功能(如傾斜傳感和絕對位置)，所以，并不進行實時的傳感器數(shù)據(jù)整合，也不關(guān)注同步不準的問題。然而，隨著越來越多的手機配備多個傳感器(包括多軸運動處理系統(tǒng)所需要的陀螺儀)，需要能在加速度計和陀螺儀之間提供預(yù)校準的同步計時功能從而省略微控制器的集成方案。例如，InvenSense六軸運動處理方案集成了三個直接與雙軸和單軸陀螺儀模擬輸出接口的高分辨率輔助ADC，以及針對多運動應(yīng)用而提供抗混疊功能的內(nèi)部可編程低通濾波器。

3：運動處理數(shù)據(jù)的同步

由于在手持消費電子系統(tǒng)中包含多運動傳感器，需保證傳感器數(shù)據(jù)采集同步進行，對于集成型運動處理方案來說，這是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。同時采集加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)可達到更高的精度，但是，如果各個傳感器有各自不同的計時要求，可能就需要進行插值運算，這將增加運動算法的復(fù)雜性。

多運動傳感器所使用的提取數(shù)據(jù)方法可能不同，比如，你可能通過I(SUP/)2(/SUP)C接口以特定的采樣頻率從數(shù)字加速度計收集數(shù)據(jù)，但這個數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)微控制器內(nèi)部的較低分辨率的ADC對模擬陀螺儀的輸出進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這兩個數(shù)據(jù)可能不匹配。緊密集成的六軸運動處理方案的優(yōu)點是可確保所有的加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)正確同步并以較低的設(shè)計復(fù)雜度來獲得更高的精度。

4：頻率要求

最后一個需要考慮的設(shè)計要點是，工程師必須確保陀螺儀的驅(qū)動器、傳感器和諧波頻率或任何其它成分的工作頻率不互相干擾，以便盡量減少傳感器融合輸出的失真。工作在5千赫以下并對聲音敏感的陀螺儀不能用在電視、視頻游戲、收音機、人類語言、警報器、汽車或聲響報警等音頻信號源附近。消費電子系統(tǒng)中使用的揚聲器通常工作在20赫茲到20千赫的范圍，OIS執(zhí)行器工作在500赫茲到4千赫范圍，這些設(shè)備不會干擾InvenSense集成MEMS運動處理器的驅(qū)動頻率(X軸24千赫，Y軸27千赫和Z軸30千赫)。這些驅(qū)動和傳感頻率的選擇綜合考慮了各種干擾因素，確保它們之間不會互相干擾，同時避開了音頻頻率范圍和相機OIS執(zhí)行系統(tǒng)的頻率范圍。

運動處理方案必須實現(xiàn)更高水平的集成，這里提出的設(shè)計要點可對全集成運動處理系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)并消除把它整合到