什麽是 IMU 傳感器及其應用和類型

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-12-03 17:17:27

在手機上玩遊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(ge) 共同點。它們(men) 都使用傳(chuan) 感器，特別是 IMU（慣性測量單元），以便正常運行。

在我們(men) 具體(ti) 討論 IMU 之前，讓我們(men) 先從(cong) 更廣泛的角度開始。傳(chuan) 感器是一種與(yu) 其他電子設備配合使用的電子設備，旨在檢測環境的變化，例如光、聲音或運動。然後，傳(chuan) 感器將該信息傳(chuan) 遞回與(yu) 其連接的電子設備。

傳感器可以測量什麽？

• 觸覺輸入：按鈕或觸摸屏

• 動作輸入：您的手機會(hui) 識別您已將其轉為(wei) 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節

• 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：監控油田中的石油鑽機以確保安全

• 化學品輸入：一氧化碳探測器發出危險水平信號

• 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(chuan) 感器，可測量角速率、力，有時還測量磁場。 IMU 傳(chuan) 感器由 3 軸加速度計和 3 軸陀螺儀(yi) 組成，可被視為(wei) 6 軸 IMU。它們(men) 還可以包括一個(ge) 額外的 3 軸磁力計，這將被視為(wei) 9 軸IMU。從(cong) 技術上講，術語“IMU”僅(jin) 指傳(chuan) 感器，但 IMU 通常與(yu) 傳(chuan) 感器融合軟件配對，該軟件結合來自多個(ge) 傳(chuan) 感器的數據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(chuan) 感器和傳(chuan) 感器融合軟件的組合；這種組合也稱為(wei) AHRS（姿態航向參考係統）。

在哪裏可以找到 IMU？

IMU 的常見應用包括確定 GPS 係統中的方向、跟蹤手機和視頻遊戲遙控器等消費電子產(chan) 品中的運動，或在 AR（增強現實）和 VR（虛擬現實）係統中跟蹤用戶的頭部運動。此運動和方向信息還適用於(yu) 保持無人機的平衡、改善機器人吸塵器以及其他物聯網和聯網家庭設備的航向。

在工業(ye) 用途中，您可以使用 IMU 來對準和測量天線等設備的位置。 IMU 還用於(yu) 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(le) 係統在遙控器中使用 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製電視的用戶界麵。

未來的應用可能會(hui) 看到 IMU 與(yu) GPS（全球定位係統）、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(nei) 和室外。

IMU 如何工作？

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

IMU 提供6個(ge) 自由度

從(cong) IMU 收集的原始數據可以讓我們(men) 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(chuan) 感器融合是一種（數學）藝術，它將 IMU 中每個(ge) 傳(chuan) 感器的數據組合起來，以創建設備方向和航向的更完整圖像。例如，在查看旋轉運動的陀螺儀(yi) 信息時，您可以結合加速度計的重力感來創建參考係。您還可以添加有關(guan) 地球磁場的信息，以使整個(ge) 傳(chuan) 感器與(yu) 地球框架對齊。

IMU 傳感器的趨勢

IMU 隻是最近需求強勁的更大傳(chuan) 感器市場的一部分。推動這一增長的一個(ge) 重要趨勢是對 MEMS（微機電係統）設備的需求不斷增加，這些設備的尺寸通常為(wei) 20 微米至 1 毫米。不斷縮小的設備尺寸給組件製造商帶來了壓力，要求他們(men) 將其外形尺寸縮小到 1 到 100 微米之間的微觀比例。傳(chuan) 感器行業(ye) 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(chuan) 感器的未來。隨著應用範圍的擴大推動了對低成本大規模生產(chan) 傳(chuan) 感器的需求，價(jia) 格敏感性正在提高。與(yu) 此同時，智能手機對傳(chuan) 感器的巨大需求正在壓低MEMS慣性傳(chuan) 感器的成本，因此它們(men) 被應用於(yu) 越來越多的產(chan) 品中，但企業(ye) 在實際使用它們(men) 時仍然遇到技術挑戰。

在整個(ge) 行業(ye) 中，效率變得越來越重要，因此組件級功耗是另一個(ge) 日益受到關(guan) 注的問題。與(yu) 此同時，某些應用的傳(chuan) 感器的預期使用壽命也在延長。例如，工業(ye) 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隻有幾年的預期壽命是可以接受的。消費電子、汽車和工業(ye) 應用對傳(chuan) 感器質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(chuan) 感器類型是加速度計。它測量單個(ge) 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。加速度計也可用於(yu) 測量重力作為(wei) 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。由於(yu) 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(yi) ：雖然加速計可以測量線性加速度，但它們(men) 不能測量扭轉或旋轉運動。然而，陀螺儀(yi) 測量繞三個(ge) 軸的角速度：俯仰（x 軸）、滾動（y 軸）和偏航（z 軸）。當與(yu) 傳(chuan) 感器融合軟件集成時，陀螺儀(yi) 可用於(yu) 確定 3D 空間內(nei) 物體(ti) 的方向。雖然陀螺儀(yi) 沒有初始參考係（如重力），但您可以將其數據與(yu) 加速度計的數據相結合來測量角位置。要深入了解不同類型的陀螺儀(yi) ，請參閱我們(men) 的第二篇博客，標題為(wei) “探索陀螺儀(yi) 的應用”。

• 磁力計：顧名思義(yi) ，磁力計測量磁場。它可以通過測量空間傳(chuan) 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(yu) 加速度計和陀螺儀(yi) 數據結合起來以確定絕對航向。正如您所見，IMU 用於(yu) 測量加速度、角速度和磁場，當與(yu) 傳(chuan) 感器融合軟件結合使用時，它們(men) 可用於(yu) 確定運動、方向和航向。它們(men) 存在於(yu) 消費電子產(chan) 品和工業(ye) 領域的許多應用中。在我們(men) 的下一篇博文中，我們(men) 將深入探討陀螺儀(yi) 及其用途。

正如您所見，IMU 用於(yu) 測量加速度、角速度和磁場，當與(yu) 傳(chuan) 感器融合軟件結合使用時，它們(men) 可用於(yu) 確定運動、方向和航向。它們(men) 存在於(yu) 消費電子產(chan) 品和工業(ye) 領域的許多應用中。