直接使用慣性測量單元 (IMU)

我的童年是很久以前的事了。沒有手持電子產品，沒有視頻游戲，沒有便攜式設備。相反，那是培樂多、橡皮泥、魔術 8 號球、飛盤和 Slinky 的時代。我記憶猶新的玩具是 Mattel Wiz-z-zer。它本質上是一個陀螺儀，一個裝在盒子里的旋轉輪，是一種將陀螺引入現(xiàn)代兒童的玩具（圖 1）。扭轉使用了一種超級旋轉的高科技軸承，可以讓陀螺以非常高的速度旋轉，這樣它就可以長時間保持站立。我仍然可以聽到它發(fā)出的聲音，因為我加速它進行高速旋轉，然后釋放它在地板上自由旋轉。

這個陀螺儀陀螺儀是一個改良的陀螺儀。由于角動量守恒，陀螺儀在旋轉時保持直立（Newton (1687)、Laplace (1799)、Foucault (1852)、Rankine (1858) 等）。由于這種現(xiàn)象，陀螺儀可用于測量或保持方位和角速度。

微機電系統(tǒng)

今天的現(xiàn)代電子設計已經采用了這種機械知識并將其制成傳感器。這種傳感器可以通過采用微機電系統(tǒng) (MEMS) 來制造。MEMS 傳感器技術可實現(xiàn)傳感器融合，從而將多個傳感器和軟件解決方案打包為一個集成整體。因此，它有助于為各種大型行業(yè)提供解決方案，包括信息和通信技術 (ICT)、物聯(lián)網 (IoT) 和汽車。半導體制造商校準這些集成解決方案并利用嵌入式補償和傳感器處理，以及一個簡單的可編程接口。

處于人性化 MEMS 傳感器技術前沿的是TDK InvenSense。InvenSense 隸屬于 TDK 傳感器系統(tǒng)業(yè)務公司。它是面向消費、工業(yè)、汽車和物聯(lián)網細分市場的 MEMS 運動、音頻和壓力解決方案的行業(yè)領導者。憑借強大的 MEMS 3/6/7/9 軸運動傳感器產品組合，以及最高性能的 MEMS 音頻麥克風和壓力傳感器，TDK 不斷突破性能和質量的界限，為多個行業(yè)設定了新的創(chuàng)新標準。讓我們來看看 TDK InvenSense 的 MEMS 慣性測量單元 (IMU) 如何幫助設計工程師直接了解物體的位置。

IMU

MEMS 技術允許將精密陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器的多軸組合組裝到一個設備中。采用這些類型傳感器的集成設備通常稱為慣性測量單元 (IMU)。IMU 是一種電子設備，可測量和報告人體的比力、角速率，通常還包括人體的方向。艾薩克·牛頓 (1642–1726/27) 將慣性描述為第一條運動定律（《自然哲學的數(shù)學原理》, 1687) 通過這樣定義它：“每個物體都堅持其靜止狀態(tài)，或勻速直線運動，除非它被施加在其上的力被迫改變該狀態(tài)?！?MEMS 技術可靠地感測和處理多個自由度 (DoF)，即使在高度復雜的應用和動態(tài)條件下也是如此。

多自由度

選擇 IMU 的一個重要標準是自由度。IMU 通常具有 2 到 10 個自由度的規(guī)格。

自由這個詞在不同的語境中有不同的含義。在這種情況下，我們不是在談論個人選擇自由或政治自由，而是在物理學的背景下，特別是力學。在力學中，自由度對應于定義其配置或狀態(tài)的平移分量和旋轉。例如，對于空間中的剛體，平移和旋轉都具有三個分量，總共產生六個自由度（圖 2）。

翻譯：向前/向后

翻譯：左/右

翻譯：上/下

旋轉：左右（滾動）

旋轉：向前/向后（俯仰）

旋轉：左/右（偏航）

圖 2：六個自由度。剛體在 3D 空間中移動的可能性。前、后、左、右、上、下，加上繞三個軸的旋轉。（來源：Peter Hermes Furian/Shutterstock.com）

加速度計（測量速度變化 → 獲取位置）和陀螺儀（測量角速度 → 獲取方向）可以結合起來收集信息，使設備能夠計算多達六個自由度。那么，多于六個 DoF 的想法從何而來？IMU 供應商已經注意到，如果他們采用進一步的傳感器融合，他們可以獲得更高的性能。他們添加了另一個傳感器來改進讀數(shù)、減少錯誤并獲得更多有說服力的數(shù)據(jù)以支持內部調整和補償。添加磁力計可提供新的傳感器信息。磁力計感測地球磁場，提供允許獲得定向航向的數(shù)據(jù)。當此信息與加速度計和陀螺儀傳感器融合時，傳感器制造商表示他們擁有三個以上的自由度。因此，

需要明確的是，這是一些術語的混合。從技術上講，物理學定義了六個自由度。但是，IMU 設備在傳感器融合方案中的三個獨立軸上采用了三個不同的傳感器，從而為解決方案帶來了九個傳感器輸入。

早些時候我說過一些 IMU 有 10 個自由度。我剛剛解釋了九個。一個人如何達到10？

很簡單，添加另一個傳感器。在這種情況下，添加氣壓傳感器將提供更多信息。結合氣壓傳感器現(xiàn)在可以實現(xiàn) IMU 制造商所稱的 10 個自由度：

3 自由度加速度計

3 自由度陀螺儀

3 自由度磁力計

1 個自由度氣壓計（壓力）

10 自由度

結論

與我年輕時的許多玩具不同，現(xiàn)代電子產品需要越來越多的傳感功能。傳感器融合結合了支持 ICT、物聯(lián)網和汽車的多個傳感器和軟件解決方案。您已經了解了 IMU 如何將眾多傳感器組合到一個集成的單片設備中。就像陀螺一樣，我希望我已經讓您明白 TDK InvenSense 是最佳觀察點，以便您在下一個設計中意識到 IMU 的優(yōu)勢。

審核編輯黃昊宇