慣性測量裝置 (IMU) 可廣泛用于從加速計(jì)、陀螺儀及其他傳感器持續(xù)穩(wěn)定地提供多軸位置信息。鑒于多自由度 (DOF) 特性，所有生成數(shù)據(jù)（即來自這些設(shè)備的合并數(shù)據(jù)流）會使系統(tǒng)處理器一直處于喚醒模式，并且由于要篩選原始 IMU 數(shù)據(jù)來提取有用的手勢和系統(tǒng)位置信息，因此使它們不堪重負(fù)。設(shè)計(jì)人員需要設(shè)法為主處理器減負(fù)，讓其不再承擔(dān)此類篩選功能。而機(jī)器學(xué)習(xí)則可能解決這一問題。

本文將首先簡要介紹 IMU 的用途，接著介紹 STMicroelectronics 的 LSM6DSO。然后，借此器件闡釋在 IMU 中添加和集成機(jī)器學(xué)習(xí)與決策樹處理功能后，為何能為主機(jī)應(yīng)用處理器分擔(dān)實(shí)時位置和運(yùn)動處理，以及如何在實(shí)際應(yīng)用中使用這些功能。

IMU 簡介

IMU 將各種運(yùn)動傳感器集成到一個器件中，可提供高精度定位信息。IMU 可用于各種應(yīng)用，包括消費(fèi)（手機(jī)）、醫(yī)療（成像）、工業(yè)（機(jī)器人）和軍工（航向跟蹤）。該裝置對傳感器的運(yùn)動作出響應(yīng)，包含以下一種或多種運(yùn)動傳感器類型：

陀螺儀傳感器測量角度位置變化，通常以每秒度數(shù)表示。隨時間進(jìn)行角速度積分可測得行程角度，用于追蹤方向變化。陀螺儀追蹤與重力無關(guān)的相對運(yùn)動，因此來自傳感器偏置或積分的誤差會造成稱為“漂移”的位置誤差，但可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

加速計(jì)測量線性加速度，包括設(shè)備運(yùn)動造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度的測量單位為 g，1 g = 地球重力 = 9.8 米/秒2。加速計(jì)分為單軸、雙軸和三軸，分別定義為 X、Y、Z 坐標(biāo)系。

磁傳感器測量磁場強(qiáng)度，通常以微特斯拉 (μT) 或高斯（100 μT = 1 高斯）為單位。移動電子設(shè)備中最常用的磁傳感器是三軸霍爾效應(yīng)磁力儀。通過計(jì)算檢測到的地球磁場角度，并將此測量的角度與加速計(jì)測量的重力進(jìn)行比較，即可非常精確地測量出設(shè)備相對于地磁北極的航向。

使用 IMU 的運(yùn)動追蹤功能采用了傳感器融合技術(shù)，根據(jù)已知的起點(diǎn)和方向，推導(dǎo)單一、高精度的相對設(shè)備方向和位置的估計(jì)值。傳感器融合多通過軟件，使用 IMU 制造商或應(yīng)用開發(fā)人員開發(fā)的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法來組合 IMU 的各種運(yùn)動傳感器輸出。

使用傳感器融合進(jìn)行位置計(jì)算可得到以下測量結(jié)果：

重力– 具體而言地球重力，不含設(shè)備感應(yīng)到的由運(yùn)動造成的加速度。當(dāng) IMU 靜止時，加速計(jì)測量重力矢量。當(dāng) IMU 運(yùn)動時，重力測量需要融合加速計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)，并減去運(yùn)動造成的加速度。

線性加速度– 等于加速計(jì)測得的設(shè)備加速度，但要通過軟件減去重力矢量。IMU 線性加速度可用于測量三維空間中的運(yùn)動。

方向（海拔）– 歐拉角集合，包括偏航角、俯仰角和翻滾角，測量單位為度。

旋轉(zhuǎn)矢量– 由加速計(jì)、陀螺儀和磁力儀傳感器的數(shù)據(jù)組合得出。旋轉(zhuǎn)矢量表示圍繞特定軸的旋轉(zhuǎn)角度。

IMU 誤差源

陀螺儀通過角速度變化檢測方向，但隨著時間推移，陀螺儀往往會漂移，因?yàn)樗鼉H檢測變化而沒有固定的參照系。若將加速計(jì)數(shù)據(jù)添加到陀螺儀數(shù)據(jù)中，軟件可以最大限度地減小陀螺儀偏置，從而得到更準(zhǔn)確的位置估計(jì)。加速計(jì)檢測相對于重力的方向變化，該數(shù)據(jù)可用于給陀螺儀定向。

加速計(jì)對于靜態(tài)（與動態(tài)相反）計(jì)算更準(zhǔn)確。當(dāng)系統(tǒng)已處于運(yùn)動狀態(tài)時，利用陀螺儀檢測方向要更好。加速計(jì)反應(yīng)迅速，若只使用該數(shù)據(jù)，加速計(jì)抖動和噪聲會產(chǎn)生累積誤差。此外，由于重力之類的外力，加速計(jì)往往會使加速度失真，這也會作為噪聲在系統(tǒng)中累積。對此數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波可提高精度。

若將陀螺儀的短期精度與加速計(jì)的長期精度相結(jié)合，依靠每種傳感器的優(yōu)勢來抵消或至少減輕另一種傳感器的劣勢，可以獲得更精確的方向讀數(shù)。兩種傳感器類型的互補(bǔ)有助于減少誤差，但還有其他方法可用來減少誤差。

融合濾波可用來減少誤差

IMU 軟件使用濾波來最大限度地減小 IMU 數(shù)據(jù)的定位誤差。有多種濾波方法可融合傳感器數(shù)據(jù)，每種方法都有不同程度的復(fù)雜性?；パa(bǔ)濾波結(jié)合了高通陀螺儀濾波和低通加速計(jì)濾波。因此，加速計(jì)數(shù)據(jù)中的高頻噪聲會在短期內(nèi)濾除，并且采用陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

執(zhí)行所有這種傳感器處理、濾波和融合所需的計(jì)算能力耗能較大；對于電池供電型系統(tǒng)，尤其是不需要 IMU 信息連續(xù)傳輸時，這可能是個問題。對于許多嵌入式應(yīng)用，如果 IMU 可以生成中斷，將主機(jī)處理器從休眠模式喚醒，從而啟動處理或采取某些中斷結(jié)果操作，即可明顯降低功耗。為了實(shí)現(xiàn)此功能，一些 IMU 供應(yīng)商開始在 IMU 中加入處理和決策功能。

讓 IMU 進(jìn)行思考

STMicroelectronics 的 6DOF LSM6DSO 就是一款這樣的 IMU。6DOF LSM6DSO 包含三個微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和三個 MEMS 加速計(jì)，可以檢測方向變化和手勢，無需主機(jī)處理器的監(jiān)管或輔助，所有這些功能都在板上處理。在最高性能模式下運(yùn)行時，該 IMU 的功耗為 0.55 毫安 (mA)。

在此模式下，LSM6DSO 可以持續(xù)監(jiān)測自身在空間中的海拔高度和運(yùn)動，并且可以在預(yù)定條件下生成中斷，喚醒主機(jī)處理器來執(zhí)行傳感器流的額外處理。使用始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)的低功耗 IMU 很有效，因?yàn)樗屩鳈C(jī)處理器休眠，僅在必要時喚醒。這種節(jié)能方法在電池供電型系統(tǒng)中是值得嘗試和信賴的。

除了陀螺儀和加速計(jì)傳感器之外，LSM6DSO IMU 還包含一個信號調(diào)節(jié)和濾波器模塊、一個最多可運(yùn)行 16 個程序的有限狀態(tài)機(jī) (FSM)（所有程序共享可配置的通用輸出數(shù)據(jù)速率）以及一個機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核。結(jié)合使用這些資源，可以在以下情況下生成事件檢測中斷：

自由落體

喚醒

6DOF 方向

單擊和雙擊檢測

活動/非活動識別

靜止/運(yùn)動檢測

信號調(diào)節(jié)塊應(yīng)用存儲在靈敏度寄存器中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，換算原始傳感器數(shù)據(jù)。然后，將原始 IMU 傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為 16 位半精度浮點(diǎn) (HFP) 格式，以便 FSM 可以理解。IMU 的 MEMS 傳感器（加速計(jì)和陀螺儀）以及兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和四個濾波器塊如圖 1 所示。濾波器塊用于將 MEMS 傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為濾波后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。

可編程 FSM 由一個配置塊和 16 個程序塊組成。FSM 配置塊對整個 FSM 進(jìn)行配置和控制。對于 16 個 FSM 程序塊，每個塊都由輸入選擇器塊和代碼塊組成（圖 2）。這兩個塊都由寫入 IMU 內(nèi)部寄存器的數(shù)值來控制。

輸入選擇器塊將選定的輸入數(shù)據(jù)從一個 IMU 內(nèi)部傳感器或連接到 IMU 傳感器中樞的外部傳感器發(fā)送到代碼塊。IMU 傳感器中樞可以容納多達(dá)四個額外的外部傳感器，如磁力儀，這些外部傳感器可通過 I2C 端口連接到 IMU。