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 號球、飛盤和 Slinky 的時代。我記憶猶新的玩具是 Mattel Wiz-z-zer。它本質(zhì)上是一個陀螺儀，一個裝在盒子里的旋轉(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)，這樣它就可以長時間保持站立。我仍然可以聽到它發(fā)出的聲音，因為我加速它進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，然后釋放它在地板上自由旋轉(zhuǎn)。

這個陀螺儀陀螺儀是一個改良的陀螺儀。由于角動量守恒，陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時保持直立（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)計已經(jīng)采用了這種機(jī)械知識并將其制成傳感器。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)可實現(xiàn)傳感器融合，從而將多個傳感器和軟件解決方案打包為一個集成整體。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、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、磁力計和壓力傳感器的多軸組合組裝到一個設(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)動定律（《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》, 1687) 通過這樣定義它：“每個物體都堅持其靜止?fàn)顟B(tài)，或勻速直線運(yùn)動，除非它被施加在其上的力被迫改變該狀態(tài)。” MEMS 技術(shù)可靠地感測和處理多個自由度 (DoF)，即使在高度復(fù)雜的應(yīng)用和動態(tài)條件下也是如此。

多自由度

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

自由這個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€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，自由度對應(yīng)于定義其配置或狀態(tài)的平移分量和旋轉(zhuǎn)。例如，對于空間中的剛體，平移和旋轉(zhuǎn)都具有三個分量，總共產(chǎn)生六個自由度（圖 2）。

翻譯：向前/向后

翻譯：左/右

翻譯：上/下

旋轉(zhuǎn)：左右（滾動）

旋轉(zhuǎn)：向前/向后（俯仰）

旋轉(zhuǎn)：左/右（偏航）

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

加速度計（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)備能夠計算多達(dá)六個自由度。那么，多于六個 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。他們添加了另一個傳感器來改進(jìn)讀數(shù)、減少錯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。添加磁力計可提供新的傳感器信息。磁力計感測地球磁場，提供允許獲得定向航向的數(shù)據(jù)。當(dāng)此信息與加速度計和陀螺儀傳感器融合時，傳感器制造商表示他們擁有三個以上的自由度。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)定義了六個自由度。但是，IMU 設(shè)備在傳感器融合方案中的三個獨(dú)立軸上采用了三個不同的傳感器，從而為解決方案帶來了九個傳感器輸入。

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

很簡單，添加另一個傳感器。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)在可以實現(xiàn) IMU 制造商所稱的 10 個自由度：

3 自由度加速度計

3 自由度陀螺儀

3 自由度磁力計

1 個自由度氣壓計（壓力）

10 自由度

結(jié)論

與我年輕時的許多玩具不同，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)，以便您在下一個設(shè)計中意識到 IMU 的優(yōu)勢。

審核編輯黃昊宇