什么是 IMU 傳感器及其應用和類型

文章出處：新聞資訊責任編輯：深圳市廣陵達科技有限公司發(fā)表時間：2024-12-03 17:17:27

在手機上玩游戲時在汽車之間穿梭，在風向變化的情況下讓四軸飛行器保持漂浮，用機器人給你的房子吸塵，以及在佩戴 VR 耳機時翻譯你的精確動作，所有這些都有一個共同點。它們都使用傳感器，特別是 IMU（慣性測量單元），以便正常運行。

在我們具體討論 IMU 之前，讓我們先從更廣泛的角度開始。傳感器是一種與其他電子設備配合使用的電子設備，旨在檢測環(huán)境的變化，例如光、聲音或運動。然后，傳感器將該信息傳遞回與其連接的電子設備。

傳感器可以測量什么？

? 觸覺輸入：按鈕或觸摸屏

? 動作輸入：您的手機會識別您已將其轉(zhuǎn)為寬屏

? 光輸入：您的車頭燈在夜間打開

? 溫度輸入：恒溫器自動向上或向下調(diào)節(jié)

? 濕度/水分輸入：擋風玻璃雨刷器在雨中打開

? 磁場輸入：您的 GPS 知道您前進的方向

? 振動輸入：監(jiān)控油田中的石油鉆機以確保安全

? 化學品輸入：一氧化碳探測器發(fā)出危險水平信號

? 生物輸入：檢測腫瘤、升高的血液水平或毒素

IMU 是一種特定類型的慣性傳感器，可測量角速率、力，有時還測量磁場。 IMU 傳感器由 3 軸加速度計和 3 軸陀螺儀組成，可被視為6 軸 IMU。它們還可以包括一個額外的 3 軸磁力計，這將被視為9 軸IMU。從技術上講，術語“IMU”僅指傳感器，但 IMU 通常與傳感器融合軟件配對，該軟件結合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)來提供方向和航向測量。在通常的用法中，術語“IMU”可以用來指傳感器和傳感器融合軟件的組合；這種組合也稱為 AHRS（姿態(tài)航向參考系統(tǒng)）。

在哪里可以找到 IMU？

IMU 的常見應用包括確定 GPS 系統(tǒng)中的方向、跟蹤手機和視頻游戲遙控器等消費電子產(chǎn)品中的運動，或在 AR（增強現(xiàn)實）和 VR（虛擬現(xiàn)實）系統(tǒng)中跟蹤用戶的頭部運動。此運動和方向信息還適用于保持無人機的平衡、改善機器人吸塵器以及其他物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)家庭設備的航向。

在工業(yè)用途中，您可以使用 IMU 來對準和測量天線等設備的位置。 IMU 還用于幫助操縱飛機，無論是否有人駕駛。在消費者空域，一些機上娛樂系統(tǒng)在遙控器中使用 IMU，以除了觸摸之外還增加了可訪問性。LG 智能電視遙控器也采用了類似的方法，它允許用戶通過直觀的點擊方法而不是方向按鈕來控制電視的用戶界面。

未來的應用可能會看到 IMU 與 GPS（全球定位系統(tǒng)）、RF（射頻）和 LiDAR（光探測和測距）等技術更緊密的集成和融合，這將能夠準確定位人員、車輛和設備（包括自主的），室內(nèi)和室外。

IMU 如何工作？

IMU 提供 2 到 6 個 DOF（自由度），它是指物體能夠在 3D 空間中移動的不同方式的數(shù)量。最大可能為 6 個自由度，其中包括跨直線平面/沿每個軸（前/后、右/左、上/下）的 3 度平移（平面）運動和跨 x、y 的 3 度旋轉(zhuǎn)運動和 z 軸/繞每個軸。

IMU 提供6個自由度

從 IMU 收集的原始數(shù)據(jù)可以讓我們了解周圍的世界，但也可以對這些信息進行處理以獲取更多見解。傳感器融合是一種（數(shù)學）藝術，它將 IMU 中每個傳感器的數(shù)據(jù)組合起來，以創(chuàng)建設備方向和航向的更完整圖像。例如，在查看旋轉(zhuǎn)運動的陀螺儀信息時，您可以結合加速度計的重力感來創(chuàng)建參考系。您還可以添加有關地球磁場的信息，以使整個傳感器與地球框架對齊。

IMU 傳感器的趨勢

IMU 只是最近需求強勁的更大傳感器市場的一部分。推動這一增長的一個重要趨勢是對 MEMS（微機電系統(tǒng)）設備的需求不斷增加，這些設備的尺寸通常為 20 微米至 1 毫米。不斷縮小的設備尺寸給組件制造商帶來了壓力，要求他們將其外形尺寸縮小到 1 到 100 微米之間的微觀比例。傳感器行業(yè)也在效仿，也縮小了其外形尺寸。

除了物理尺寸之外，其他一些趨勢也正在影響傳感器的未來。隨著應用范圍的擴大推動了對低成本大規(guī)模生產(chǎn)傳感器的需求，價格敏感性正在提高。與此同時，智能手機對傳感器的巨大需求正在壓低MEMS慣性傳感器的成本，因此它們被應用于越來越多的產(chǎn)品中，但企業(yè)在實際使用它們時仍然遇到技術挑戰(zhàn)。

在整個行業(yè)中，效率變得越來越重要，因此組件級功耗是另一個日益受到關注的問題。與此同時，某些應用的傳感器的預期使用壽命也在延長。例如，工業(yè)自動化應用中使用的芯片可能需要運行十年或更長時間，而消費類設備中的芯片只有幾年的預期壽命是可以接受的。消費電子、汽車和工業(yè)應用對傳感器質(zhì)量和測試條件的要求也有所不同。

3 種主要類型的運動傳感器設備

? 加速度計：最常用的運動傳感器類型是加速度計。它測量單個軸上的加速度（速度變化），例如當您踩下汽車油門或掉落手機時。加速度計測量特定方向的線性加速度。加速度計也可用于測量重力作為向下的力。對加速度進行一次積分可以得出速度的估計值，再次積分可以得到對位置的估計值。由于雙重積分和當今的技術狀況，加速度計不是推薦的距離估計方法。

? 陀螺儀：雖然加速計可以測量線性加速度，但它們不能測量扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)運動。然而，陀螺儀測量繞三個軸的角速度：俯仰（x 軸）、滾動（y 軸）和偏航（z 軸）。當與傳感器融合軟件集成時，陀螺儀可用于確定 3D 空間內(nèi)物體的方向。雖然陀螺儀沒有初始參考系（如重力），但您可以將其數(shù)據(jù)與加速度計的數(shù)據(jù)相結合來測量角位置。要深入了解不同類型的陀螺儀，請參閱我們的第二篇博客，標題為“探索陀螺儀的應用”。

? 磁力計：顧名思義，磁力計測量磁場。它可以通過測量空間傳感器點處的空氣磁通密度來檢測地球磁場的波動。通過這些波動，它找到了指向地球磁北的矢量。這可以與加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)結合起來以確定絕對航向。正如您所見，IMU 用于測量加速度、角速度和磁場，當與傳感器融合軟件結合使用時，它們可用于確定運動、方向和航向。它們存在于消費電子產(chǎn)品和工業(yè)領域的許多應用中。在我們的下一篇博文中，我們將深入探討陀螺儀及其用途。

正如您所見，IMU 用于測量加速度、角速度和磁場，當與傳感器融合軟件結合使用時，它們可用于確定運動、方向和航向。它們存在于消費電子產(chǎn)品和工業(yè)領域的許多應用中。