惯性测量单元 (IMU) 探秘

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作者 Paul Golata, 来源:贸泽电子

我的童年是很久以前的事了。那时候没有手持电子产品,没有视频游戏,也没有便携式设备。与现在不同,那是个玩培乐多、橡皮泥、神奇8号球、飞盘和妙妙圈的年代。我记忆最深刻的是美泰旋转球。它本质上是一个陀螺仪,盒子里装有一个旋转轮,是一种将陀螺介绍给现代儿童的玩具(图1)。这个陀螺玩具使用了超级旋转的高科技轴承,使顶部能够以非常高的速度旋转,因此它能长时间保持直立状态。我耳边似乎还萦绕着它发出的声音,我让它加速,使陀螺高速旋转起来,然后松手,看它在地板上四处自由旋转。

旋转中的陀螺

图1:旋转中的陀螺。(图源:RODRIGO SAINZ/Shutterstock.com)

这个陀螺是一个改进的陀螺仪。由于角动量守恒,陀螺仪在旋转时会保持直立(牛顿 (1687)、拉普拉斯 (1799)、福柯 (1852)、兰金 (1858) 等)。由于这种现象,陀螺仪可用于测量或保持方向和角速度。

MEMS

今天的现代电子设计已经采用了这种机械知识并将其制成传感器。这类传感器可采用微机电系统 (MEMS) 进行制造。传感器技术可实现传感器融合,从而将多个传感器和软件解决方案打包成一个整体。因此,它有助于为各种大型行业提供解决方案,适用领域包括信息和通信技术 (ICT)、物联网(IoT) 及汽车。半导体制造商校准这些集成解决方案,并充分利用嵌入式补偿和传感器处理,以及简单的可编程接口。

TDK InvenSense目前走在了人性化MEMS传感器技术的前沿。InvenSense隶属TDK集团内部Sensor System Business Company旗下。它主要面向消费、工业、汽车和物联网细分市场,是这些市场运动、音频和压力MEMS解决方案的知名领先企业。凭借其强大的MEMS 3/6/7/9轴运动传感器产品组合以及性能出色的MEMS音频麦克风和压力传感器,TDK继续突破性能和质量的极限,为众多行业树立了新的创新标准。让我们来看看TDK InvenSense的MEMS惯性测量单元 (IMU) 如何帮助设计工程师对物体的位置了然于胸。

IMU

MEMS技术能够将精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器的多轴组合组装到一个设备中。采用这些类型传感器的集成器件通常称为惯性测量单元 (IMU)。IMU是一种电子器件,用于测量和报告物体的比力、角速,通常也包括物体的运动方向。艾萨克·牛顿 (1642–1726/27) 将惯性描述为第一运动定律(《自然哲学的数学原理》,1687),他是这样说的:“任何物体都会保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。” MEMS技术即使在高度复杂的应用和不断变化的情况下也能可靠检测和处理多自由度 (DoF)。

多自由度

选择IMU的一项重要标准就是自由度。IMU通常具有2到10个自由度。

“自由”一词在不同的语境中有不同的含义。在本例中,我们不是在谈论个人选择的自由或政治自由,而是在物理学,特别是力学背景下的自由。在力学中,自由度对应于定义其配置或状态的平移分量和旋转。例如,对于空间中的刚体,平移和旋转都有三个分量,总共产生六个自由度(图2)。

  1. 平移:上/下
  2. 平移:左/右
  3. 平移:前/后
  4. 旋转:左/右(偏摆)
  5. 旋转:从一侧到另一侧(滚翻)
  6. 旋转:前/后(俯仰)

六个自由度

图2:六个自由度。刚体在3D空间中的运动可能性。向前、向后、向左、向右、向上和向下,再加上绕三个轴的旋转。(图源:Peter Hermes Furian/Shutterstock.com)

加速度计(测量速度变化 → 获取位置)和陀螺仪(测量角速度 → 获取方向)可以结合起来收集信息,使设备能够计算多达六个自由度。那么,超过六个自由度的想法是如何产生的? IMU供应商已经发现,如果他们采用进一步的传感器融合,便可以获得更优秀的性能。他们增加了一个传感器,从而改进读数、减少误差并获得更加令人信服的数据来支持内部调整和补偿。加入磁力计可提供新的传感器信息。磁力计感应地球磁场,提供数据,从而获得航向。当这些信息与加速度计和陀螺仪的传感器融合时,传感器制造商表示它们能额外提供三个自由度。从而,九自由度IMU就诞生了。

需要明确一下,这里有点术语上的混淆。从技术上讲,物理学定义了六个自由度。然而,IMU设备在传感器融合方案中的三个独立轴上使用三个不同的传感器,为解决方案带来了九项传感器输入。

之前我说过有一些IMU有10个自由度。我只解释了九个。那么传感器是如何实现10个自由度的?

很简单,再加入一个传感器。在本例中,加入气压传感器将提供更多信息。现在,结合气压传感器即可实现IMU制造商所说的10个自由度:

-3自由度加速度计

-3自由度陀螺仪

-3自由度磁力计

-1自由度气压表(测量压力)

-10个自由度

结论

与我的众多儿时玩具不同,现代电子产品需要越来越多的传感器。传感器融合结合了多种传感器和软件解决方案,可实现信息通信技术、物联网和汽车新应用。您已经了解了IMU如何将众多传感器组合成一个集成的单片设备。就像陀螺一样,我希望我已经为您揭秘了TDK InvenSense能够提供理想选择,让您在下一个设计中意识到IMU的优点。

作者简介:

Paul Golata于2011年加入贸泽电子。作为高级技术内容专家,Paul凭借出色的战略领导力、战术执行力以及先进技术与相关产品的整体产品线和营销方向,为贸泽电子的成功做出贡献。 Paul通过编写独特而有价值的技术内容为设计工程师提供最新的技术资讯,促进并增强了贸泽电子作为首选分销商的地位。在加入贸泽电子之前,Paul曾在Hughes Aircraft Company、Melles Griot、Piper Jaffray、Balzers Optics、JDSU和Arrow Electronics担任过制造、营销和销售相关职位。Paul拥有伊利诺伊州芝加哥市德睿理工学院的电子工程学士学位;加州马里布佩珀代因大学工商管理硕士学位;德克萨斯州沃思堡的西南浸信会神学院神学硕士及文学士学位;以及德克萨斯州沃思堡西南浸信会神学院的博士学位。

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