我的童年是很久以前的事了。那時(shí)候沒(méi)有手持電子產(chǎn)品，沒(méi)有視頻游戲，也沒(méi)有便攜式設(shè)備。與現(xiàn)在不同，那是個(gè)玩培樂(lè)多、橡皮泥、神奇8號(hào)球、飛盤(pán)和妙妙圈的年代。我記憶最深刻的是美泰旋轉(zhuǎn)球。它本質(zhì)上是一個(gè)陀螺儀，盒子里裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)輪，是一種將陀螺介紹給現(xiàn)代兒童的玩具。這個(gè)陀螺玩具使用了超級(jí)旋轉(zhuǎn)的高科技軸承，使頂部能夠以非常高的速度旋轉(zhuǎn)，因此它能長(zhǎng)時(shí)間保持直立狀態(tài)。我耳邊似乎還縈繞著它發(fā)出的聲音，我讓它加速，使陀螺高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，然后松手，看它在地板上四處自由旋轉(zhuǎn)。

這個(gè)陀螺是一個(gè)改進(jìn)的陀螺儀。由于角動(dòng)量守恒，陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)保持直立（牛頓 (1687)、拉普拉斯 (1799)、福柯 (1852)、蘭金 (1858) 等）。由于這種現(xiàn)象，陀螺儀可用于測(cè)量或保持方向和角速度。

MEMS

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。這類(lèi)傳感器可采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 進(jìn)行制造。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成一個(gè)整體。因此，它有助于為各種大型行業(yè)提供解決方案，適用領(lǐng)域包括信息和通信技術(shù) (ICT)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 及汽車(chē)。半導(dǎo)體制造商校準(zhǔn)這些集成解決方案，并充分利用嵌入式補(bǔ)償和傳感器處理，以及簡(jiǎn)單的可編程接口。

TDK InvenSense目前走在了人性化MEMS傳感器技術(shù)的前沿。InvenSense隸屬TDK集團(tuán)內(nèi)部Sensor System Business Company旗下。它主要面向消費(fèi)、工業(yè)、汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場(chǎng)，是這些市場(chǎng)運(yùn)動(dòng)、音頻和壓力MEMS解決方案的知名領(lǐng)先企業(yè)。憑借其強(qiáng)大的MEMS 3/6/7/9軸運(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)品組合以及性能出色的MEMS音頻麥克風(fēng)和壓力傳感器，TDK繼續(xù)突破性能和質(zhì)量的極限，為眾多行業(yè)樹(shù)立了新的創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)。讓我們來(lái)看看TDK InvenSense的MEMS慣性測(cè)量單元 (IMU) 如何幫助設(shè)計(jì)工程師對(duì)物體的位置了然于胸。

IMU

MEMS技術(shù)能夠?qū)⒕芡勇輧x、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(lèi)型傳感器的集成器件通常稱為慣性測(cè)量單元 (IMU)。IMU是一種電子器件，用于測(cè)量和報(bào)告物體的比力、角速，通常也包括物體的運(yùn)動(dòng)方向。艾薩克·牛頓 (1642–1726/27) 將慣性描述為第一運(yùn)動(dòng)定律（《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，1687），他是這樣說(shuō)的：“任何物體都會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。” MEMS技術(shù)即使在高度復(fù)雜的應(yīng)用和不斷變化的情況下也能可靠檢測(cè)和處理多自由度 (DoF)。

多自由度

選擇IMU的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)就是自由度。IMU通常具有2到10個(gè)自由度。

“自由”一詞在不同的語(yǔ)境中有不同的含義。在本例中，我們不是在談?wù)搨€(gè)人選擇的自由或政治自由，而是在物理學(xué)，特別是力學(xué)背景下的自由。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)都有三個(gè)分量，總共產(chǎn)生六個(gè)自由度（圖2）。

平移：上/下

平移：左/右

平移：前/后

旋轉(zhuǎn)：左/右（偏擺）

旋轉(zhuǎn)：從一側(cè)到另一側(cè)（滾翻）

旋轉(zhuǎn)：前/后（俯仰）

圖2：六個(gè)自由度。剛體在3D空間中的運(yùn)動(dòng)可能性。向前、向后、向左、向右、向上和向下，再加上繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。（圖源：Peter Hermes Furian/Shutterstock.com）

加速度計(jì)（測(cè)量速度變化 → 獲取位置）和陀螺儀（測(cè)量角速度 → 獲取方向）可以結(jié)合起來(lái)收集信息，使設(shè)備能夠計(jì)算多達(dá)六個(gè)自由度。那么，超過(guò)六個(gè)自由度的想法是如何產(chǎn)生的？ IMU供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果他們采用進(jìn)一步的傳感器融合，便可以獲得更優(yōu)秀的性能。他們?cè)黾恿艘粋€(gè)傳感器，從而改進(jìn)讀數(shù)、減少誤差并獲得更加令人信服的數(shù)據(jù)來(lái)支持內(nèi)部調(diào)整和補(bǔ)償。加入磁力計(jì)可提供新的傳感器信息。磁力計(jì)感應(yīng)地球磁場(chǎng)，提供數(shù)據(jù)，從而獲得航向。當(dāng)這些信息與加速度計(jì)和陀螺儀的傳感器融合時(shí)，傳感器制造商表示它們能額外提供三個(gè)自由度。從而，九自由度IMU就誕生了。

需要明確一下，這里有點(diǎn)術(shù)語(yǔ)上的混淆。從技術(shù)上講，物理學(xué)定義了六個(gè)自由度。然而，IMU設(shè)備在傳感器融合方案中的三個(gè)獨(dú)立軸上使用三個(gè)不同的傳感器，為解決方案帶來(lái)了九項(xiàng)傳感器輸入。

之前我說(shuō)過(guò)有一些IMU有10個(gè)自由度。我只解釋了九個(gè)。那么傳感器是如何實(shí)現(xiàn)10個(gè)自由度的？

很簡(jiǎn)單，再加入一個(gè)傳感器。在本例中，加入氣壓傳感器將提供更多信息。現(xiàn)在，結(jié)合氣壓傳感器即可實(shí)現(xiàn)IMU制造商所說(shuō)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自由度氣壓表（測(cè)量壓力）

-10個(gè)自由度

結(jié)論

與我的眾多兒時(shí)玩具不同，現(xiàn)代電子產(chǎn)品需要越來(lái)越多的傳感器。傳感器融合結(jié)合了多種傳感器和軟件解決方案，可實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)新應(yīng)用。您已經(jīng)了解了IMU如何將眾多傳感器組合成一個(gè)集成的單片設(shè)備。就像陀螺一樣，我希望我已經(jīng)為您揭秘了TDK InvenSense能夠提供理想選擇，讓您在下一個(gè)設(shè)計(jì)中意識(shí)到IMU的優(yōu)點(diǎn)。

審核編輯：郭婷