在手機(jī)上玩游戲時(shí)在汽車之間穿梭，在風(fēng)向變化的情況下讓四軸飛行器保持漂浮，用機(jī)器人給你的房子吸塵，以及在佩戴 VR 耳機(jī)時(shí)翻譯你的精確動(dòng)作，所有這些都有一個(gè)共同點(diǎn)。它們都使用傳感器，特別是 IMU（慣性測(cè)量單元），以便正常運(yùn)行。
在我們具體討論 IMU 之前，讓我們先從更廣泛的角度開始。傳感器是一種與其他電子設(shè)備配合使用的電子設(shè)備，旨在檢測(cè)環(huán)境的變化，例如光、聲音或運(yùn)動(dòng)。然后，傳感器將該信息傳遞回與其連接的電子設(shè)備。
? 觸覺輸入：按鈕或觸摸屏
? 動(dòng)作輸入：您的手機(jī)會(huì)識(shí)別您已將其轉(zhuǎn)為寬屏
? 光輸入：您的車頭燈在夜間打開
? 溫度輸入：恒溫器自動(dòng)向上或向下調(diào)節(jié)
? 濕度/水分輸入：擋風(fēng)玻璃雨刷器在雨中打開
? 磁場(chǎng)輸入：您的 GPS 知道您前進(jìn)的方向
? 振動(dòng)輸入：監(jiān)控油田中的石油鉆機(jī)以確保安全
? 化學(xué)品輸入：一氧化碳探測(cè)器發(fā)出危險(xiǎn)水平信號(hào)
? 生物輸入：檢測(cè)腫瘤、升高的血液水平或毒素
IMU 是一種特定類型的慣性傳感器，可測(cè)量角速率、力，有時(shí)還測(cè)量磁場(chǎng)。 IMU 傳感器由 3 軸加速度計(jì)和 3 軸陀螺儀組成，可被視為6 軸 IMU。它們還可以包括一個(gè)額外的 3 軸磁力計(jì)，這將被視為9 軸IMU。從技術(shù)上講，術(shù)語“IMU”僅指?jìng)鞲衅?，?IMU 通常與傳感器融合軟件配對(duì)，該軟件結(jié)合來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)來提供方向和航向測(cè)量。在通常的用法中，術(shù)語“IMU”可以用來指?jìng)鞲衅骱蛡鞲衅魅诤宪浖慕M合；這種組合也稱為 AHRS（姿態(tài)航向參考系統(tǒng)）。
IMU 的常見應(yīng)用包括確定 GPS 系統(tǒng)中的方向、跟蹤手機(jī)和視頻游戲遙控器等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的運(yùn)動(dòng)，或在 AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）和 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）系統(tǒng)中跟蹤用戶的頭部運(yùn)動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)和方向信息還適用于保持無人機(jī)的平衡、改善機(jī)器人吸塵器以及其他物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)家庭設(shè)備的航向。
在工業(yè)用途中，您可以使用 IMU 來對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量天線等設(shè)備的位置。 IMU 還用于幫助操縱飛機(jī)，無論是否有人駕駛。在消費(fèi)者空域，一些機(jī)上娛樂系統(tǒng)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(diǎn)擊方法而不是方向按鈕來控制電視的用戶界面。
未來的應(yīng)用可能會(huì)看到 IMU 與 GPS（全球定位系統(tǒng)）、RF（射頻）和 LiDAR（光探測(cè)和測(cè)距）等技術(shù)更緊密的集成和融合，這將能夠準(zhǔn)確定位人員、車輛和設(shè)備（包括自主的），室內(nèi)和室外。
IMU 提供 2 到 6 個(gè) DOF（自由度），它是指物體能夠在 3D 空間中移動(dòng)的不同方式的數(shù)量。最大可能為 6 個(gè)自由度，其中包括跨直線平面/沿每個(gè)軸（前/后、右/左、上/下）的 3 度平移（平面）運(yùn)動(dòng)和跨 x、y 的 3 度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和 z 軸/繞每個(gè)軸。
從 IMU 收集的原始數(shù)據(jù)可以讓我們了解周圍的世界，但也可以對(duì)這些信息進(jìn)行處理以獲取更多見解。傳感器融合是一種（數(shù)學(xué)）藝術(shù)，它將 IMU 中每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)組合起來，以創(chuàng)建設(shè)備方向和航向的更完整圖像。例如，在查看旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的陀螺儀信息時(shí)，您可以結(jié)合加速度計(jì)的重力感來創(chuàng)建參考系。您還可以添加有關(guān)地球磁場(chǎng)的信息，以使整個(gè)傳感器與地球框架對(duì)齊。
IMU 只是最近需求強(qiáng)勁的更大傳感器市場(chǎng)的一部分。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的一個(gè)重要趨勢(shì)是對(duì) MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）設(shè)備的需求不斷增加，這些設(shè)備的尺寸通常為 20 微米至 1 毫米。不斷縮小的設(shè)備尺寸給組件制造商帶來了壓力，要求他們將其外形尺寸縮小到 1 到 100 微米之間的微觀比例。傳感器行業(yè)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(shì)也正在影響傳感器的未來。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大推動(dòng)了對(duì)低成本大規(guī)模生產(chǎn)傳感器的需求，價(jià)格敏感性正在提高。與此同時(shí)，智能手機(jī)對(duì)傳感器的巨大需求正在壓低MEMS慣性傳感器的成本，因此它們被應(yīng)用于越來越多的產(chǎn)品中，但企業(yè)在實(shí)際使用它們時(shí)仍然遇到技術(shù)挑戰(zhàn)。
在整個(gè)行業(yè)中，效率變得越來越重要，因此組件級(jí)功耗是另一個(gè)日益受到關(guān)注的問題。與此同時(shí)，某些應(yīng)用的傳感器的預(yù)期使用壽命也在延長(zhǎng)。例如，工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中使用的芯片可能需要運(yùn)行十年或更長(zhǎng)時(shí)間，而消費(fèi)類設(shè)備中的芯片只有幾年的預(yù)期壽命是可以接受的。消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)應(yīng)用對(duì)傳感器質(zhì)量和測(cè)試條件的要求也有所不同。
? 加速度計(jì)：最常用的運(yùn)動(dòng)傳感器類型是加速度計(jì)。它測(cè)量單個(gè)軸上的加速度（速度變化），例如當(dāng)您踩下汽車油門或掉落手機(jī)時(shí)。加速度計(jì)測(cè)量特定方向的線性加速度。加速度計(jì)也可用于測(cè)量重力作為向下的力。對(duì)加速度進(jìn)行一次積分可以得出速度的估計(jì)值，再次積分可以得到對(duì)位置的估計(jì)值。由于雙重積分和當(dāng)今的技術(shù)狀況，加速度計(jì)不是推薦的距離估計(jì)方法。
? 陀螺儀：雖然加速計(jì)可以測(cè)量線性加速度，但它們不能測(cè)量扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，陀螺儀測(cè)量繞三個(gè)軸的角速度：俯仰（x 軸）、滾動(dòng)（y 軸）和偏航（z 軸）。當(dāng)與傳感器融合軟件集成時(shí)，陀螺儀可用于確定 3D 空間內(nèi)物體的方向。雖然陀螺儀沒有初始參考系（如重力），但您可以將其數(shù)據(jù)與加速度計(jì)的數(shù)據(jù)相結(jié)合來測(cè)量角位置。要深入了解不同類型的陀螺儀，請(qǐng)參閱我們的第二篇博客，標(biāo)題為“探索陀螺儀的應(yīng)用”。
? 磁力計(jì)：顧名思義，磁力計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)。它可以通過測(cè)量空間傳感器點(diǎn)處的空氣磁通密度來檢測(cè)地球磁場(chǎng)的波動(dòng)。通過這些波動(dòng)，它找到了指向地球磁北的矢量。這可以與加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)結(jié)合起來以確定絕對(duì)航向。正如您所見，IMU 用于測(cè)量加速度、角速度和磁場(chǎng)，當(dāng)與傳感器融合軟件結(jié)合使用時(shí)，它們可用于確定運(yùn)動(dòng)、方向和航向。它們存在于消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用中。在我們的下一篇博文中，我們將深入探討陀螺儀及其用途。
正如您所見，IMU 用于測(cè)量加速度、角速度和磁場(chǎng)，當(dāng)與傳感器融合軟件結(jié)合使用時(shí)，它們可用于確定運(yùn)動(dòng)、方向和航向。它們存在于消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用中。
? 3DM-CX5-IMU 高性能工業(yè)級(jí)慣性測(cè)量單元
? 3DM-CV5-IMU 嵌入式慣性測(cè)量單元
? 3DM-GX5-IMU 高性能慣性測(cè)量單元（IMU）
? Advanced Navigation Orientus MEMS AHRS 傳感器
