儿童和狗可以毫不费力地定位自己并控制体操运动。有些人可能认为这就像“孩子的游戏”一样容易，直到他们试图让机器或机器人复制这个专长。人类定位系统非常复杂，当我们在地面时做得很好。相反，在飞行飞机时，我们被放置在一个不熟悉的三维环境中。这与减少的视觉方向线索相结合，可能使空间（dis）方向难以或无法管理。所有通用航空事故的5％至10％可归因于空间定向障碍，其中90％是致命的。
微机电（MEMS）惯性传感器通过设计对运动敏感。它们有效地检测和处理线性加速度，磁航向，高度和角速率信息。为了充分利用惯性传感器的性能潜力，设计人员必须始终了解整个机械系统，密切关注应用中的运动源和共振。
在本文中，我们将描述MEMS惯性传感器（例如陀螺仪和加速度计）如何帮助某人克服空间迷失方向。我们解释了外力和运动将如何影响系统运行，以及元件布局和安装条件 - 空间关系 - 如何直接影响MEMS惯性传感器的性能。鉴于许多不同的潜在系统配置（例如，电路板尺寸，材料，安装方法），设计人员需要针对每种应用调整独特的解决方案。我们展示了如何做到这一点：检测并减轻错误的惯性信号。我们提出了增强传感器系统操作的实用建议，在这些操作中，当真实环境呈现不希望的机车信号和系统共振时。
理解平衡，人性
我们首先讨论平衡。考虑人耳。在图1中，耳蜗是用于听觉的器官。耳鼓通过我们身体上的一些最小的骨头震动耳蜗。耳蜗含有少量毛发或纤毛，并且充满了液体。随着耳蜗的移动，流体不会因惯性而移动。纤毛感知这种运动差异并将神经冲动传递给我们的大脑，这些冲动被解释为声音。
图2.惯性传感器未对准的图示。
图3. PCB共振和惯性传感器放置的模拟。下节点区域中的传感器是减轻谐振相关角速率信号的地方。
上面的第二传感器处于不平衡位置并且更易于加速和角速率信号损坏。
图1.人体平衡和听力是内耳中复杂的平衡器官的一部分。
人耳还包含用于平衡的运动检测系统，也称为平衡。三个半圆形运河，功能与垂直陀螺仪类似，检测并向大脑发送关于一个平衡状态的脉冲信号。不幸的是，我们如何感知运动是有限度的。
如果运动小于每秒约2度，我们会忽略它。如果平滑运动的持续时间超过20到25秒，我们就会停止感应运动。这些人为限制可能会引起混淆。内耳还有另外两个感觉器官：感知线性加速度，而感知重力。我们耳朵里的所有五个传感器通过向我们的大脑通知我们身体的位置和运动来帮助我们达到平衡或平衡。这与我们的眼睛一起，帮助我们保持平衡，并在我们的头部移动或身体旋转时将眼睛聚焦在物体上。
飞行中的飞行员和空间定位
飞行员需要被教导不要凭感觉飞行（即，不要依赖于他们的内部感官）。相反，他们需要依靠他们的飞行仪器。这是一件非常难学的事情，尤其是在紧急情况和恐慌情况下。
据美国联邦航空管理局（FAA）称，飞行员患有一种叫做墓地螺旋的常见错觉。这个：
与故意或无意的长时间转弯后的返回水平飞行有关。例如，进入银行转向左侧的飞行员最初会在同一方向上转弯。如果左转持续（约20秒或更长时间），飞行员将感受到飞机不再向左转弯的感觉。此时，如果飞行员试图使机翼平整，则此动作将产生飞机正在转向并向相反方向（向右）倾斜的感觉。如果飞行员认为右转的幻觉（这可能非常引人注目），他/她将重新进入原来的左转，以试图抵消右转的感觉。不幸的是，当发生这种情况时，飞机仍然向左转并失去高度。转动控制轭/杆并在转弯时施加动力不是一个好主意 - 因为它只会使左转更紧。如果飞行员未能识别出幻觉并且没有使机翼平整，飞机将继续向左转并失去高度，直到它撞击地面。
问题是，MEMS陀螺仪和加速度计能否帮助飞行员克服空间迷失方向？
MEMS惯性传感器拯救
人体可以被愚弄，在某些情况下，必须依靠外部援助才能达到良好的平衡。由于人体易受空间定向障碍的影响，MEMS惯性传感器提供了一种解决方案。正确安装的惯性传感器可用于建立惯性框架参考，帮助用户识别方向和/或移动。使用这些设备可以避免可能存在缺陷的感知。
为确保惯性传感器的运行稳健性，必须正确安装和定向。有很好的设计方法可以组装惯性传感器，如果使用得当，它们可以生产出高性能的系统。
组装MEMS惯性传感器的实用方法
必须从一开始就理解一个基本原理：在存在振动的情况下，惯性传感器在PCB上的位置可能是最重要的考虑因素。因此，如何安装惯性传感器，安装条件以及其放置的位置/方向都会影响整个机械系统特性。简单地说，没有适当的设计考虑，惯性信号性能在运动时会减少。
请注意，强烈建议分析整个机械系统及其对惯性传感器性能的影响。
安置注意事项
让我们从方向开始吧。将惯性传感器相对于某些基准放置（通常参考选定的PCB侧），并通过表面安装回流工艺保持该定位是一项具有挑战性的工作。此外，每个级别的组装（传感器到封装，封装到PCB，PCB到外壳等）都会增加对准误差。由于传感器组件的方向（相对于惯性框架）设定了系统精度，因此必须将此处的任何误差最小化。图2说明了不完美方向的误差。软件可以校准未对准，但如果此误差源不受限制，则高阶效应会降低传感器性能。
图2.惯性传感器未对准的图示。
热机械应力是一个潜在的错误来源。它可以将自身暴露在惯性传感器上的热梯度，引起封装应力，并作为PCB中的热梯度，将应力传递给惯性传感器。这些热效应有时难以区分，并且在某些情况下，都存在。结果是封装应力，这可能导致偏置（即偏移）和灵敏度性能误差。理想情况下，重要的发热设备的放置应远离惯性传感器，这在我们的紧凑型PCB设计领域有时难以满足。无论如何，必须尽一切努力将惯性传感器放置在远离热源的位置，以最大限度地减少温度梯度。
装配注意事项
组件的表面安装需要知识和应用优化的温度曲线，以用于特定的回流工作。虽然这些操作通常关注焊点强度，可靠性和吞吐量（即成本），但有时可忽略惯性传感器的特殊考虑因素。例如，非优化的冷却阶段可能潜在地导致惯性传感器封装的残余应力。这些应力会因超出规格的偏差和比例因子而降低性能。
PCB的保形涂层经常用于保护电子电路免受湿气，化学污染物（例如盐）和其他破坏性影响。不建议对惯性传感器设备进行保形涂层。它可以改变传感器的机械条件并影响整个机械系统的特性。此外，难以控制保形涂层应用（即粘度，干燥厚度）。
机械系统考虑因素
外部运动源（例如，惯性信号，冲击，振动）可能无意中刺激PCB共振。在最坏的情况下，可能发生作为系统谐振伪影的虚拟惯性信号。这些错误信号充当噪声，掩蔽感兴趣的信号（例如，机车和/或振动）。当发生共振条件时，相对于PCB上的槽 - 波峰 - 波峰位置的惯性传感器位置可导致信号检测降级。
图3显示了PCB上惯性传感器的两种可能的放置方式，主要谐振模式突出显示。左下方位置在（蓝绿色）节点区域显示传感器。与位于PCB右上方的传感器相比，这是减少谐振相关角速率信号的地方。第二惯性传感器位于节点区域之间的边缘上并且倾斜进入槽（以深蓝色显示）。该传感器处于不平衡位置，并且在激发的共振条件下更容易发生加速和角速率信号损坏。
虽然有许多技术可用于减轻PCB共振（例如，板加强，系统阻尼，振动隔离），但应对整个机械系统进行全面分析。应执行有限元分析（FEA）以识别所有潜在的谐振模式及其相关频率和Qs。然后可以实施良好的设计技术以提高性能。
图3. PCB共振和惯性传感器放置的模拟。下节点区域中的传感器是减轻谐振相关角速率信号的地方。
上面的第二传感器处于不平衡位置并且更易于加速和角速率信号损坏。