直接使用惯性测量单元 (IMU)

我的童年是很久以前的事了。没有手持电子产品，没有视频游戏，没有便携式设备。相反，那是培乐多、橡皮泥、魔术 8 号球、飞盘和 Slinky 的时代。我记忆犹新的玩具是 Mattel Wiz-z-zer。它本质上是一个陀螺仪，一个装在盒子里的旋转轮，是一种将陀螺引入现代儿童的玩具（图 1）。扭转使用了一种超级旋转的高科技轴承，可以让陀螺以非常高的速度旋转，这样它就可以长时间保持站立。我仍然可以听到它发出的声音，因为我加速它进行高速旋转，然后释放它在地板上自由旋转。

这个陀螺仪陀螺仪是一个改良的陀螺仪。由于角动量守恒，陀螺仪在旋转时保持直立（Newton (1687)、Laplace (1799)、Foucault (1852)、Rankine (1858) 等）。由于这种现象，陀螺仪可用于测量或保持方位和角速度。

微机电系统

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。这种传感器可以通过采用微机电系统 (MEMS) 来制造。MEMS 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为一个集成整体。因此，它有助于为各种大型行业提供解决方案，包括信息和通信技术 (ICT)、物联网 (IoT) 和汽车。半导体制造商校准这些集成解决方案并利用嵌入式补偿和传感器处理，以及一个简单的可编程接口。

处于人性化 MEMS 传感器技术前沿的是TDK InvenSense。InvenSense 隶属于 TDK 传感器系统业务公司。它是面向消费、工业、汽车和物联网细分市场的 MEMS 运动、音频和压力解决方案的行业领导者。凭借强大的 MEMS 3/6/7/9 轴运动传感器产品组合，以及最高性能的 MEMS 音频麦克风和压力传感器，TDK 不断突破性能和质量的界限，为多个行业设定了新的创新标准。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直接了解物体的位置。

IMU

MEMS 技术允许将精密陀螺仪、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设备通常称为惯性测量单元 (IMU)。IMU 是一种电子设备，可测量和报告人体的比力、角速率，通常还包括人体的方向。艾萨克·牛顿 (1642–1726/27) 将惯性描述为第一条运动定律（《自然哲学的数学原理》, 1687) 通过这样定义它：“每个物体都坚持其静止状态，或匀速直线运动，除非它被施加在其上的力被迫改变该状态。” MEMS 技术可靠地感测和处理多个自由度 (DoF)，即使在高度复杂的应用和动态条件下也是如此。

多自由度

选择 IMU 的一个重要标准是自由度。IMU 通常具有 2 到 10 个自由度的规格。

自由这个词在不同的语境中有不同的含义。在这种情况下，我们不是在谈论个人选择自由或政治自由，而是在物理学的背景下，特别是力学。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，平移和旋转都具有三个分量，总共产生六个自由度（图 2）。

翻译：向前/向后

翻译：左/右

翻译：上/下

旋转：左右（滚动）

旋转：向前/向后（俯仰）

旋转：左/右（偏航）

图 2：六个自由度。刚体在 3D 空间中移动的可能性。前、后、左、右、上、下，加上绕三个轴的旋转。（来源：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，多于六个 DoF 的想法从何而来？IMU 供应商已经注意到，如果他们采用进一步的传感器融合，他们可以获得更高的性能。他们添加了另一个传感器来改进读数、减少错误并获得更多有说服力的数据以支持内部调整和补偿。添加磁力计可提供新的传感器信息。磁力计感测地球磁场，提供允许获得定向航向的数据。当此信息与加速度计和陀螺仪传感器融合时，传感器制造商表示他们拥有三个以上的自由度。因此，

需要明确的是，这是一些术语的混合。从技术上讲，物理学定义了六个自由度。但是，IMU 设备在传感器融合方案中的三个独立轴上采用了三个不同的传感器，从而为解决方案带来了九个传感器输入。

早些时候我说过一些 IMU 有 10 个自由度。我刚刚解释了九个。一个人如何达到10？

很简单，添加另一个传感器。在这种情况下，添加气压传感器将提供更多信息。结合气压传感器现在可以实现 IMU 制造商所称的 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 个自由度气压计（压力）

10 自由度

结论

与我年轻时的许多玩具不同，现代电子产品需要越来越多的传感功能。传感器融合结合了支持 ICT、物联网和汽车的多个传感器和软件解决方案。您已经了解了 IMU 如何将众多传感器组合到一个集成的单片设备中。就像陀螺一样，我希望我已经让您明白 TDK InvenSense 是最佳观察点，以便您在下一个设计中意识到 IMU 的优势。

审核编辑黄昊宇