歴史的に困難なナビゲーションの課題は、今日のMEMSベースのモーションセンサーのおかげで大幅に簡素化され、多くの古いアプリケーションで管理可能になり、革新的な新しいアプリケーションも可能になりました。これは、 GPSモジュール。
MEMSベースのモーションセンサー
これまで、動きやそのさまざまな要素を正確かつ手頃な価格で電子的に検知することは困難でした。ジャイロスコープ、磁気コンパス、星探知機、加速度計は、最も一般的なコンポーネントとサブシステムであり、セットアップと計算に多大な手動の支援が必要になることがよくありました。その結果、電子モーションセンシングの広範な使用は、船舶、航空機、ミサイル、宇宙船などの高度なアプリケーションに限定されていました。低コストのドローン、自律走行車、さらにはハンドヘルドスマートフォンの向きを簡単に検知できる機能は、想像もできなかった。
現在では、MEMSベースのセンサーにより、動きや向きの判定がかなり日常的に行えるようになりました。そうすることで、加速度測定の利点についての私たちの考え方が変わりました。加速度測定は、驚くほど明らかになる、広範囲にわたるパラメータです。
MEMSベースの加速度計
MEMSベースの加速度計は、おもちゃとして販売され、精密誘導システムにも使用される回転ホイール ジャイロの単なるマイクロ サイズ バージョンとは大きく異なることに注意してください。MEMSユニットは、振動する音叉構造と、動きによるパラメーター シフトの測定を使用します。また、一部のアプリケーションでは、固定された参照ベースがあるため、相対的な動きと位置を感知するだけでよいことに注意してください (工場の組み立てロボット アームを想像してください)。一方、他のアプリケーションでは、絶対的な位置を知る必要があります (ドローンや無人車両など)。
モーションセンシングの基礎
「モーション センシング」というフレーズには、実際にはさまざまな詳細と目的が含まれています。基本的なパラメータは、位置、速度、加速度の3つのベクトルの階層です。基礎物理学では、速度は位置xの時間微分（変化率）（v = dx/dt）として定義され、加速度は速度vの時間微分（a = dv/dt）として定義されます。
もちろん、補完的な操作も当てはまります。速度は加速度の時間積分であり、位置は速度の時間積分です。原則として、3つのうちの1つがわかっていて、時間間隔を測定すれば、積分と微分を行って他の間隔を見つけることができます。(もちろん、他の3つのうち1つ以上を決定する場合でも、真のナビゲーションの開始点を知っておく必要があります。)
高精度加速度計
一部のシステムでは、速度と位置を決定するために、アナログまたはデジタル統合と組み合わせた高精度の 加速度計 のみに依存しています。課題は、トランスデューサの欠陥やノイズにより感知された加速度信号にわずかな誤差が生じても、積分または微分の結果に大きな許容できない誤差が生じる可能性があることです。その結果、多くのシステムでは、これらの重要なパラメータを個別に決定するために、複数のセンサーを組み合わせて使用することを選択します。
慣性計測システム
モーション センシングには、3つの要素以外にもさまざまな要素があります。アプリケーションに応じて、モーション センシング サブシステムには、方向を決定するための単軸または多軸ジャイロスコープや電子コンパス、および位置を決定するためのGPSも含まれる場合があります (ただし、GPS信号は常に利用できるとは限らないことに注意してください)。ジャイロスコープ ベースのモーション システムには、3つの直交加速度計とジャイロ (x、y、z軸用) が含まれており、外部参照や受信信号なしで方向と加速度を判定できるため、慣性計測ユニット (IMU) と呼ばれることがよくあります (図1)。
図1: 従来のIMUアーキテクチャは完全に自己完結型で、直交軸ごとに加速度計とジャイロスコープを備えているため、GPS、照準 (星やランドマーク)、地理位置ビーコン (無線信号) などの外部参照を必要とせずに、動きと方向の両方を完全に判定できます。
そのため、GPSや地球の磁場が利用できない、または不正確すぎる可能性がある水中車両、トンネル内の車両、宇宙船などのアプリケーションに適したソリューションになります。たとえ利用可能な場合でも、IMUは結果を相互チェックするために別のモーション センシング サブシステムと組み合わせて使用されることがあります。
IMUの全機能や、距離、速度、加速度の測定を必要としないモーション センシング アプリケーションは数多くあります。たとえば、エアバッグ センサーは、車両の速度の急激な変化が衝突を示しているかどうかを判断するために、加速度を測定するだけで済みます。車が現在どこにいるか、どのようにしてそこに到着したかは関係ありません。同様に、回転機械の振動検知では、過剰な振動とベアリングの故障の可能性を検出するために加速度計のみが必要です。また、車両の速度超過ロックアウトでは、その1つのパラメータを測定するだけでよく、位置や加速度を知る必要はありません。
磁気センシングデバイス: フラックスゲート
回転する針を使用する磁気コンパスは、最も古い航海ツールの一つです。適度に正確で、電力を必要とせず、かなり信頼性があります。ただし、電子システムとの互換性がなく、近くにある金属物体による誤差の調整や補正が困難です。
磁気コンパスに相当する電子的なものとしてフラックスゲートがあります。これは、ワイヤコイルで巻かれた磁気コアを使用し、このコイルは交流電流で刺激され、コアの磁場と出力信号に既知の変化を引き起こします。外部磁場はいずれも、これらの予測される変化からの偏差を引き起こします。これらの偏差を検出して増幅することで、磁場の強度を高精度に感知できます。
フラックスゲート配置は、コンパスの針やそれに相当するものを感知するよりも概念的には明らかに複雑ですが、可動部品がなく、小型でありながら感度が高く、近くの物体による外部の漂遊磁場の影響を最小限に抑えるように配置できます。これには多少特殊な電気インターフェースが必要であり、Texas InstrumentsのDRV421は、このクラスのアプリケーション向けに設計されています (図2)。フラックスゲート センサー、信号調整、補償コイル ドライバーを1つのICに統合し、0.1% を超える検知精度を実現します。直線性（もう1つの重要なパフォーマンス パラメータ）を維持するために、ICはフラックスゲート センサ自体と外部補償コイル間のクロスカップリング、およびフラックスゲート自体の励起からの不要な放射を最小限に抑えるタスクを簡素化します。
図2: Texas Instruments の DRV421 IC は、フラックスゲート センサー、信号調整、および補償コイル ドライバーの組み合わせにより、4 × 4 mmパッケージで正確な非接触型磁場検知を提供します。(出典: テキサス・インスツルメンツ)
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自動車の加速度センサー
今日の自動車では、加速度計はエアバッグ展開以外にも、横転検知/防止システム、盗難警報（自動車が揺れたり浮き上がったりしたとき）、乗り心地の安定化やスムーズ化など、さまざまな用途に使用されています。フリースケールなどの単軸ユニット MMA2201KEG (図3) は、信号調整、4極ローパス フィルタ、および温度補償を備え、性能を向上させるMEMS加速度計シリーズの一部です。ゼロgオフセット、フルスケール スパン、およびフィルター カットオフ周波数は工場で設定されており、外部のアクティブ デバイスやパッシブ デバイスは必要なく、完全なセルフテスト機能によってシステム機能が検証されます。このICは5 V電源で動作し、公称50 mV/gの感度定格を備えています。
図3: フリースケールMMA2201KEG 50mV/gのアナログ出力を持つ基本的な単軸加速度計です。 ±重量は40 gで、ナビゲーション以外の多くの加速およびモーション アプリケーションに適しています。（ソース： フリースケールセミコンダクタ）
MEMS加速度計の用途
この小さなデバイスのような加速度計の用途は、 ± 16リード7.5 × 10 mm SOICパッケージに収められた40 g範囲は、エアバッグやナビゲーション状況の明らかな範囲を超えています。振動の監視と記録、家電製品の制御、コンピューターのハードドライブの保護 (加速度が突然ゼロになると、ドライブが落下し、ヘッドをすぐに格納する必要があります)、コンピューターのマウスとジョイスティック、仮想現実の入力デバイス、さらにはスポーツ診断製品に使用できます。これらは、単軸加速度が、明らかでありながら測定が困難であったものを定量化できる方法のほんの一部です。
代表的なジャイロスコープICは、MEMS技術が「回転ローター」ジャイロのアプローチをいかに根本的に変革したかを示しています。の 型番 低電力ジャイロスコープ アナログデバイス (図4) は、工場で校正された14ビットのデジタル センサー データをシンプルなSPIシリアル インターフェイス ポート経由でプロセッサに提供する完全な角速度測定システムです。デバイスの範囲は、 ±80°/秒、 ±160°/秒、 ±320°/秒の3つの異なる値にデジタル設定できます。5V単一電源を必要とし、11 mm × 11 mm × 5.5 mmのLGAパッケージで提供され、電源投入時でも2000 gの衝撃に耐えることができます。
図4: Analog DevicesのADIS16250低消費電力ジャイロスコープは、14ビットの分解能を提供する内部A/Dコンバーターと、システム プロセッサとのインターフェイスを簡素化するSPIポート、およびその他の機能を強化する機能を備えたMEMSデバイスです。 (出典: アナログ・デバイセズ)
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計測制御、プラットフォーム制御と安定化、ナビゲーション、ロボット工学など、幅広い動作関連アプリケーションを対象としています。多くのモーション定格MEMS ICと同様に、拡張温度範囲のパフォーマンスを備えており、温度、振動、熱衝撃、電圧過渡現象をカバーする堅牢性に関する厳格な自動車仕様を満たしています。
速度、方向、位置、加速度といった動きに関連する属性を感知することは常に課題であり、大型で電力を大量に消費する複雑なセンサーを必要とします。この状況は、加速度計やジャイロスコープなどのMEMSベースのセンサーや、センサーの欠点を補うことができる高性能インターフェース回路の登場により、劇的に変化しました。その結果、システム設計者は、幅広い新しいアプリケーションの洞察と設計の機会に対応できるようになりました。