我的童年是很久以前的事了。沒有手持電子產(chǎn)品，沒有視頻游戲，沒有便攜式設(shè)備。相反，那是培樂多、橡皮泥、魔術(shù) 8 號(hào)球、飛盤和 Slinky 的時(shí)代。我記憶猶新的玩具是 Mattel Wiz-z-zer。它本質(zhì)上是一個(gè)陀螺儀，一個(gè)裝在盒子里的旋轉(zhuǎn)輪，是一種將陀螺引入現(xiàn)代兒童的玩具（圖 1）。扭轉(zhuǎn)使用了一種超級(jí)旋轉(zhuǎn)的高科技軸承，可以讓陀螺以非常高的速度旋轉(zhuǎn)，這樣它就可以長時(shí)間保持站立。我仍然可以聽到它發(fā)出的聲音，因?yàn)槲壹铀偎M(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，然后釋放它在地板上自由旋轉(zhuǎn)。

這個(gè)陀螺儀陀螺儀是一個(gè)改良的陀螺儀。由于角動(dòng)量守恒，陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時(shí)保持直立（Newton (1687)、Laplace (1799)、Foucault (1852)、Rankine (1858) 等）。由于這種現(xiàn)象，陀螺儀可用于測量或保持方位和角速度。

微機(jī)電系統(tǒng)

今天的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)已經(jīng)采用了這種機(jī)械知識(shí)并將其制成傳感器。這種傳感器可以通過采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 來制造。MEMS 傳感器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感器融合，從而將多個(gè)傳感器和軟件解決方案打包為一個(gè)集成整體。因此，它有助于為各種大型行業(yè)提供解決方案，包括信息和通信技術(shù) (ICT)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和汽車。半導(dǎo)體制造商校準(zhǔn)這些集成解決方案并利用嵌入式補(bǔ)償和傳感器處理，以及一個(gè)簡單的可編程接口。

處于人性化 MEMS 傳感器技術(shù)前沿的是TDK InvenSense。InvenSense 隸屬于 TDK 傳感器系統(tǒng)業(yè)務(wù)公司。它是面向消費(fèi)、工業(yè)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場的 MEMS 運(yùn)動(dòng)、音頻和壓力解決方案的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。憑借強(qiáng)大的 MEMS 3/6/7/9 軸運(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)品組合，以及最高性能的 MEMS 音頻麥克風(fēng)和壓力傳感器，TDK 不斷突破性能和質(zhì)量的界限，為多個(gè)行業(yè)設(shè)定了新的創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)。讓我們來看看 TDK InvenSense 的 MEMS 慣性測量單元 (IMU) 如何幫助設(shè)計(jì)工程師直接了解物體的位置。

IMU

MEMS 技術(shù)允許將精密陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力傳感器的多軸組合組裝到一個(gè)設(shè)備中。采用這些類型傳感器的集成設(shè)備通常稱為慣性測量單元 (IMU)。IMU 是一種電子設(shè)備，可測量和報(bào)告人體的比力、角速率，通常還包括人體的方向。艾薩克·牛頓 (1642–1726/27) 將慣性描述為第一條運(yùn)動(dòng)定律（《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》, 1687) 通過這樣定義它：“每個(gè)物體都堅(jiān)持其靜止?fàn)顟B(tài)，或勻速直線運(yùn)動(dòng)，除非它被施加在其上的力被迫改變?cè)摖顟B(tài)?！?MEMS 技術(shù)可靠地感測和處理多個(gè)自由度 (DoF)，即使在高度復(fù)雜的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)條件下也是如此。

多自由度

選擇 IMU 的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是自由度。IMU 通常具有 2 到 10 個(gè)自由度的規(guī)格。

自由這個(gè)詞在不同的語境中有不同的含義。在這種情況下，我們不是在談?wù)搨€(gè)人選擇自由或政治自由，而是在物理學(xué)的背景下，特別是力學(xué)。在力學(xué)中，自由度對(duì)應(yīng)于定義其配置或狀態(tài)的平移分量和旋轉(zhuǎn)。例如，對(duì)于空間中的剛體，平移和旋轉(zhuǎn)都具有三個(gè)分量，總共產(chǎn)生六個(gè)自由度（圖 2）。

翻譯：向前/向后

翻譯：左/右

翻譯：上/下

旋轉(zhuǎn)：左右（滾動(dòng)）

旋轉(zhuǎn)：向前/向后（俯仰）

旋轉(zhuǎn)：左/右（偏航）

圖 2：六個(gè)自由度。剛體在 3D 空間中移動(dòng)的可能性。前、后、左、右、上、下，加上繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。（來源：Peter Hermes Furian/Shutterstock.com）

加速度計(jì)（測量速度變化 → 獲取位置）和陀螺儀（測量角速度 → 獲取方向）可以結(jié)合起來收集信息，使設(shè)備能夠計(jì)算多達(dá)六個(gè)自由度。那么，多于六個(gè) DoF 的想法從何而來？IMU 供應(yīng)商已經(jīng)注意到，如果他們采用進(jìn)一步的傳感器融合，他們可以獲得更高的性能。他們添加了另一個(gè)傳感器來改進(jìn)讀數(shù)、減少錯(cuò)誤并獲得更多有說服力的數(shù)據(jù)以支持內(nèi)部調(diào)整和補(bǔ)償。添加磁力計(jì)可提供新的傳感器信息。磁力計(jì)感測地球磁場，提供允許獲得定向航向的數(shù)據(jù)。當(dāng)此信息與加速度計(jì)和陀螺儀傳感器融合時(shí)，傳感器制造商表示他們擁有三個(gè)以上的自由度。因此，

需要明確的是，這是一些術(shù)語的混合。從技術(shù)上講，物理學(xué)定義了六個(gè)自由度。但是，IMU 設(shè)備在傳感器融合方案中的三個(gè)獨(dú)立軸上采用了三個(gè)不同的傳感器，從而為解決方案帶來了九個(gè)傳感器輸入。

早些時(shí)候我說過一些 IMU 有 10 個(gè)自由度。我剛剛解釋了九個(gè)。一個(gè)人如何達(dá)到10？

很簡單，添加另一個(gè)傳感器。在這種情況下，添加氣壓傳感器將提供更多信息。結(jié)合氣壓傳感器現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn) IMU 制造商所稱的 10 個(gè)自由度：

3 自由度加速度計(jì)

3 自由度陀螺儀

3 自由度磁力計(jì)

1 個(gè)自由度氣壓計(jì)（壓力）

10 自由度

結(jié)論

與我年輕時(shí)的許多玩具不同，現(xiàn)代電子產(chǎn)品需要越來越多的傳感功能。傳感器融合結(jié)合了支持 ICT、物聯(lián)網(wǎng)和汽車的多個(gè)傳感器和軟件解決方案。您已經(jīng)了解了 IMU 如何將眾多傳感器組合到一個(gè)集成的單片設(shè)備中。就像陀螺一樣，我希望我已經(jīng)讓您明白 TDK InvenSense 是最佳觀察點(diǎn)，以便您在下一個(gè)設(shè)計(jì)中意識(shí)到 IMU 的優(yōu)勢。

審核編輯黃昊宇