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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