發布日期：2022-05-11 點擊率：25
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傳感器(英文名稱：transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
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文章翻譯自英文：
IMU Sensors: Everything You Need To Know!
看到這篇blog寫得挺好，就隨手用機翻轉到知乎，侵刪。如果習慣看英文，還是建議直接看原博客，機翻的效果肯定不好，以后有時間再慢慢修改潤色。
--------------------以下是原文------------------
當我第一次聽到IMU這個詞的時候，我認為這是一種我無法理解的很酷的技術。但一旦我有了一些使用它的經驗，并理解了它的物理測量方法，恐懼很快就消失了。在這篇文章中，我試圖向初學者解釋什么是IMU傳感器，它們是如何工作的，在哪里以及如何使用這些傳感器。那么讓我們開始吧。
什么是IMU傳感器？IMU是慣性運動單元（inertial motion unit，原文中是這樣，雖然我認為應該是inertial measurement unit）的縮寫。IMU傳感器是加速度計和陀螺儀傳感器的組合。它被用來檢測加速度和角速度以表示運動和運動強度。
我相信，當我們開始學習一些技術，特別是傳感器，一個好的起點是先學習它的應用領域，然后我們才真正了解技術如何內部工作的細節，以幫助我們實現這些應用。這樣，當我們講到它是如何工作的部分時，那些例子就會自動地在我們的頭腦中運行，這些技術背后的想法也會更容易掌握。讓我們先從應用開始。
目錄1 IMU傳感器的應用2 IMU是如何工作的?3 IMU數據處理4 IMU購買技巧5 相關文章IMU傳感器的應用
讓我們看一些熟悉的例子，看看這是如何有用的。
應用1:智能手機和平板電腦
我相信，當我們水平傾斜手機時，我們的智能手機會神奇地從縱向轉向橫向，很多人都想當然地認為這是理所當然的。它怎么知道我們拿手機的方向?？答案是它能感知重力。
在物理學中，當我們討論重力時，我們經常使用“重力加速度”這個術語。這是因為重力是以加速度來測量的。在我們的地球上，重力加速度為9.81m/s2(海平面)，在月球上為1.62 m/s2。這就是我們在月球上感覺失重的原因。
如上所述，IMU用于檢測運動，測量運動的加速度和旋轉速度。所以IMU可以用來測量重力，就像它可以測量加速度一樣。
在我們的手機上，通常會使用帶有三軸加速度計的IMU來感知重力作用的方向。請看下面的圖片。
正如你在圖片中看到的，IMU芯片被放置在手機內部，它通常有3個加速度計放置在3個方向。一個是沿著手機的長邊(X方向)測量加速度，一個是沿著手機的短邊(Y方向)測量加速度，一個是沿著手機的軸。
如果重力加速度測量的加速度計放置在X方向上,就意味著我們是拿著電話在肖像模式和同樣的如果我們拿著手機在橫向模式,然后將感覺到重力加速度在加速度計放置在Y方向上。
當我們改變手持手機的模式時，加速度計的讀數就會改變，這反過來也會改變屏幕的方向。
這只是使用IMU的加速度計部分負責測量加速度。
應用# 2:計步器
這是IMU傳感器使用的另一個應用。當我們走路或跑步時，我們創造了一些加速模式，當我們的腳著地時，我們減速或減速，當我們的腳離開地面時，我們加速。因為這些走和跑對我們來說是自然的，我們只是從來沒有注意到這個微小的加速，但相信我，它們是存在的!
此外，當我們在移動時揮手時，我們也會產生一些微小的旋轉動作，這對感知移動模式很有用，可以看出一個人是在行走、跑步還是保持靜止。
計步器有一個IMU傳感器，通常連接到一個微控制器，微控制器處理來自IMU傳感器的信息，并嘗試查看是否有這種加速度和旋轉模式。如果它能看到這一點，它就會增加步長計數器。
便宜的計步器通常使用一些簡單的數據處理算法和不太敏感的傳感器。此外，他們通常不使用IMU的陀螺儀部分來感知步驟。因此，他們計算行走的步數通常是非常不準確的。
更昂貴的傳感器通常學習和適應個人的加速度模式，通過處理旋轉和加速度數據，使用更敏感的IMU傳感器，以確定一個人是否剛剛邁出了一步。
應用#3:虛擬現實頭盔
虛擬現實是一項即將問世的技術，它將給游戲行業帶來革命性的變化。如果你之前沒有嘗試過使用VR頭盔，我建議你嘗試一下，這是進入數字世界的一種有趣的方式，就像《黑客帝國》!
如果你有一個很好的預算,你可以得到一個眼睛裂谷VR耳機(鏈接到亞馬遜),或者如果你是一個緊你可以嘗試一個廉價的替代品如Xiomi耳機或谷歌紙板(鏈接到亞馬遜),對智能手機的虛擬現實體驗!
虛擬現實頭盔主要使用這些IMU傳感器來跟蹤你的頭部位置，以改變它發出的視頻信號。例如，當你向上看時，你實際上是在繞x軸旋轉你的頭，這將被放置在你VR頭盔里的IMU傳感器的陀螺儀所感知，反過來，這將給你天空的視頻feed。當你往下看的時候，你將你的頭轉向相反的方向，你就可以看到地面了!
應用#4:無人機、直升機和飛機
IMU傳感器的另一個應用是跟蹤無人機、直升機和飛機的方向和航向。
通常，這些解決方案使用IMU傳感器和電子羅盤(即磁力計)的組合。這種組合有AHRS傳感器的技術名稱。(姿態和航向參考系統)
基本上加速度計的角度告訴我們無人駕駛飛機在地面,陀螺儀使用此數據作為參考和計算,偏航和滾動不斷無人機飛行約和磁強計告訴我們的方向無人機是領導對我們地球的磁場,這樣我們就能在地圖上找到它!
IMU和MARG傳感器有什么區別?MARG代表磁力計、角速度和重力，基本上是指IMU和指南針(磁力計)的組合。如本應用中所討論的，這些主要用于飛機。
應用# 5:相機
在相機中，IMU傳感器、加速度計和陀螺儀的2個半部分分別用于2個單獨的使用案例。
在照相機中使用陀螺儀
如果你對攝影和相機感興趣，你可能會遇到一種叫做光學圖像穩定的技術，簡稱OIS。這基本上是如何工作的是當我們正在視頻,它使用陀螺儀IMU的一部分傳感器,看看我們旋轉攝像頭,換句話說,如果我們顫抖的手,這樣它可以通過旋轉圖像做適當的修正以相反的方式,這樣我們的視頻保持穩定,如果我們使用三腳架!
在照相機中使用加速度計
當攝影師在人像模式下拍照時，他們有不同的手持相機的風格。有些人把快門按鈕放在上面，有些人把快門按鈕放在下面。不管我們是拿著快門鍵在頂部還是底部的相機，當我們下載到電腦上時，照片總是以正確的方式顯示出來。在這個應用程序中，加速度計被用來感知重力的方向，以檢測圖片的方向!
IMU是如何運作的嗎?
現在我們已經很好地了解了IMU傳感器的使用，現在讓我們進入“它是如何工作的?””部分。讓我們以單個傳感器、加速度計、陀螺儀和磁力計為例，看看它們是如何工作的
加速度計是如何工作的?
在我們開始研究加速計如何工作的技術細節之前，讓我們先來一次想象中的公共汽車之旅來理解加速度。
假設你坐在車里，假設是一列火車這樣就有更多的空間來做我們的思想實驗。現在想象一個氦氣球被綁在你面前的座位上。當火車處于站立位置時，氣球保持完全垂直。一旦火車開始移動，氣球就會回到你身邊。這是由于氣球的慣性和火車的加速度。
慣性是物理學領域的一個概念。它基本上意味著任何物體都會抵抗加速和減速。在我們的實驗中，由于火車開始加速，我們在火車里的氣球也開始加速。但是和其他物體一樣，氣球也有質量(就是空氣和橡膠的重量)。所以物理學(和常識!)告訴我們，氣球會抵抗這個加速度，因此它的加速度比火車稍慢，因此它向后移動了一點。這個概念也適用于我們。當車輛開始移動時，我們所感受到的最初的震動是加速度的影響。因為我們的身體，就像氣球一樣，有一定的質量(或者用外行人的話說就是重量)。
一旦列車達到巡航速度，速度表上的指針停止移動，氣球就會回到垂直位置，因為它已經趕上了火車。同樣的故事發生在相反的方向，當火車減速并停下來。
現在想象一個箱子，質量懸掛在兩個彈簧之間，如圖所示，被放在車里。假設它被固定在汽車的地板上。
當車輛開始移動時，質量會向與車輛移動方向相反的方向移動，向箱體的背面移動。(到B側).一旦我們的飛行器達到穩定的速度和巡航速度，就像我們的氣球實驗一樣，質量將回到中心點c。當飛行器減速到，正如你猜的那樣，它將向前移動到a側!
好了，快到了!現在讓我們在A和b兩邊放兩個電極板，并將電池連接到上面。它會變成一個電容器。一邊帶正電荷，另一邊帶負電荷，在它們之間形成電場。
如果我們的質量是由介質組成的，它在電場中移動，它會稍微擾動它，從而改變我們設置的電容值。電容的變化正比于盒子加速的速度。利用這些數據，我們可以測量任何物體的加速度!
所以我們的加速度計傳感器基本上有上面的裝置，里面有電極，彈簧和質量，但是是小型化的。多年來，隨著技術的進步，上述設置已經被做得越來越小，現在我們是在MEMS時代。
什么是MEMS IMU傳感器?
MEMS是微機電系統的縮寫。
微的:因為所有尺寸都在千分尺范圍內
電:因為我們在里面有電極來制造電容器，它們形成了電氣系統
機械:我們的質量和彈簧形成了機械系統
系統:它們一起組成一個系統，服務于一個特定的目的，在我們的例子中是測量加速度。
這就是加速度計的工作原理。現在讓我們來看看陀螺儀，這更容易理解，因為我們已經掌握了MEMS系統的基礎知識。
陀螺儀是如何工作的?
這一次，讓我們拿著我們的氣球，在我們當地的地面上進行一次想象中的跑步吧!這次讓我們在400米跑道的彎曲部分奔跑，觀察我們的氣球的行為，從頂部看!
如果你從頂部看氣球，你會注意到它實際上是在向一邊移動，朝著曲線的外部區域移動(假設任何方向都沒有風，我們沒有在加速度計上使用這個實驗，因為一旦我們達到巡航速度，由于風的阻力，我們的氣球將永遠不會達到垂直位置)
你也可以用我們想象的火車旅行來重復同樣的實驗，當火車走一條彎曲的路徑時，氣球會向半徑的方向移動，如圖所示。
現在拿出氣球,放在我們的盒子質量和彈簧與加速度計相似,唯一的區別是現在粘在地板上在另一個角度,這樣質量可以走向火車的窗戶,而不是前后運動。
所以當火車向左轉時，質量就向右移動，當火車向右轉時，質量就向左移動。軌道越彎曲，火車移動越快，物體移動得越多。
現在讓我們再次放入電極，這就是我們的機電陀螺儀，它可以測量角速度，使它更小，我們有了MEMS陀螺儀!
現在我們已經了解了加速度計和陀螺儀是如何工作的，讓我們繼續看一點關于數據處理的內容。
IMU數據處理
數據處理基本上就是從我們的傳感器中獲取數據，并從中找出意義。IMU傳感器這些天給輸出的數字值而不是模擬電容改變,他們的經驗,使我們的工作變得更加容易,因為我們不必處理模擬到數字的轉換(ADC)自己(你可以閱讀更多關于本文的ADC單片機外圍設備)
所以我們要做的就是在需要的時候使用這些數字。很多大學都開發了很多算法，我們可以用在我們的項目上。我們需要做的就是在代碼中實現數學公式。正如我們在上面看到的，一些應用程序需要結合加速計和陀螺儀讀數，如計步器，VR頭盔和無人機。通常情況下，我們會使用一種叫做四元數的數學量來簡化這些數據，從而測量感興趣的對象的方向，換句話說，就是計算我們的VR頭盔是朝哪個方向的，比如向上、向下或一側。
什么是四元數，它們在哪里使用?四元數基本上是一種數學方法，它將來自IMU傳感器的數據組合在一起，并以一種從所需的處理能力方面使其計算更容易的方式呈現出來。
它們可以通過兩種方式計算，一種是在不需要方向的應用程序上使用IMU傳感器，另一種是使用MARG傳感器陣列，方向組件是有用的。
任何類型的傳感器通常都會遇到的另一個問題是噪音。不是聲音噪音，而是一些與其他數據相比沒有意義的數據。
什么是傳感器噪聲?
讓我們舉一個熟悉的電子稱重機的例子。現在開始量體重吧。假設你的體重是50.0公斤，現在拿一個小的重量，比如100克，比如一個手機，然后再測量一次你的體重。按照邏輯，機器應該顯示50.1公斤，但可能你的秤仍然會顯示你只有50公斤。這是因為過濾。傳感器不會一直提供穩定準確的數據。所以即使是兩次相同的輸入，輸出也會略有不同。因此，你的機器的制造商放入一些數學過濾器來顯示相同的值，即使傳感器的實際輸出略有變化，比如+/- 1%。
如何過濾傳感器噪聲?
現在讓我們回到IMU。MEMS陀螺儀的原始陀螺儀讀數樣本，當完全靜止放置在你的桌子上時，可能看起來像這樣
0、1、2
3 0 1
0 2 0
...
第一個數字是角速度，單位是每秒角度繞x軸，第二個數字是繞y軸，第三個數字是繞z軸。
現在就像我說的，傳感器完全靜止在桌子上，那么這些微小的變化是什么呢?它們被稱為傳感器噪聲。之所以這樣命名，是因為它們可能是由一百萬個不同的因素引起的，通常從數學上過濾掉它們比糾正每一個因素更容易。
假設我們使用了一個條件，如果值在0和3之間，我們將其作為零。現在，在我們應用這個過濾器之后，我們的讀數是這樣的
0, 0, 0
0, 0, 0
0, 0, 0
...
這就解釋了為什么它一動不動地躺著。上面的例子是一個簡單的濾波器，但還有其他更復雜的濾波器可用，一個例子可能是卡爾曼濾波器。
這是關于IMU傳感器的數據處理方面。
IMU購買提示
在選擇IMU傳感器時，我們必須看到哪些參數?
IMU傳感器通常會給出我們上面看到的數字數據。在為應用程序選擇IMU傳感器時，我們需要考慮兩個因素。
ADC輸出中使用的位數和
傳感器支持的范圍/靈敏度組合。
ADC輸出的位數
基本上，這些傳感器使用模擬到數字轉換，以改變模擬物理量，如電壓和電流的數字可讀值。這些值的準確性取決于轉換的準確性。您可以閱讀這篇文章，特別是模擬到數字轉換部分，以了解它的過程。
通常，這個位數是8、10、12或16位。簡單地說，比特數越多，精確度就越高。
范圍/敏感性
量程是指這些傳感器可以測量的加速度或角速度。例如，加速度范圍通常為+/- 2g、4g、8g和16g (1g=9.81m/s2重力加速度)。這些范圍也可以因傳感器而異。有些傳感器支持多個量程，我們可以改變傳感器的設置，使其使用一個特定的量程。
量程越大，靈敏度越低，反之亦然。例如，如果您將范圍設置為+/=16g，您可以測量可能高達0.1g的變化，但如果您將范圍設置為+/- 2g，那么您可以測量可能高達0.05g的變化。
不要太擔心這些數字，因為您總是可以找到一個類似的應用程序，并確定要獲得哪個。
你可以使用這個MPU6050傳感器開始，如果你發現你需要更多的靈敏度或數據輸出，如四元數，然后你總是可以采取一個更專業的，像這個BNO080傳感器博世。
好了，我就講到這里。我希望你們喜歡這篇文章。
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一、慣性傳感器（IMU）簡介
IMU全稱Inertial Measurement Unit，慣性測量單元，主要用來檢測和測量加速度與旋轉運動的傳感器。其原理是采用慣性定律實現的，這些傳感器從超小型的的MEMS傳感器，到測量精度非常高的激光陀螺，無論尺寸只有幾個毫米的MEMS傳感器，到直徑幾近半米的光纖器件采用的都是這一原理。
最基礎的慣性傳感器包括加速度計和角速度計（陀螺儀），他們是慣性系統的核心部件，是影響慣性系統性能的主要因素。尤其是陀螺儀其漂移對慣導系統的位置誤差增長的影響是時間的三次方函數。而高精度的陀螺儀制造困難，成本高昂。因此提高陀螺儀的精度、同時降低其成本也是當前追求的目標。
陀螺儀的發展趨勢：
隨著微電子技術的發展，出現了新型的慣性傳感器微機械陀螺儀和加速度計。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統/微電子機械系統）技術傳感器也逐漸演變成為汽車傳感器的主要部件。本文這里重點介紹MEMS的六軸慣性傳感器。它主要由三個軸加速度傳感器及三個軸的陀螺儀組成。
二、MEMS慣性傳感器分級、組成及原理
1、MEMS慣性傳感器分級
目前不管是傳統汽車還是自動駕駛汽車用的慣性傳感器通常是中低級的，其特點是更新頻率高（通常為：1kHz），可提供實時位置信息。但它有個致命的缺點——他的誤差會隨著時間的推進而增加，所以只能在很短的時間內依賴慣性傳感器進行定位。通常在自動駕駛車輛中與GNSS（全球導航衛星系統）配合一起使用，稱為組合慣導。
2、MEMS慣性傳感器組成及原理
慣性傳感器是對物理運動做出反應的器件，如線性位移或角度旋轉，并將這種反應轉換成電信號，通過電子電路進行放大和處理。加速度計和陀螺儀是最常見的兩大類MEMS慣性傳感器。加速度計是敏感軸向加速度并轉換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀是能夠敏感運動體相對于慣性空間的運動角速度的傳感器。三個MEMS加速度計和三個MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個方向的線加速度和3個方向的加速度的微型慣性測量組合（Micro Inertial Messurement Unit，MIMU），慣性微系統利用三維異構集成技術，將MEMS加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器和信號處理電路等功能零件集成在硅芯片內，并內置算法，實現芯片級制導、導航、定位等功能。
（1）MEMS加速度計
MEMS加速度計是MEMS領域最早開始研究的傳感器之一。經過多年的發展，MEMS加速度計的設計和加工技術已經日趨成熟。
上圖為MEMS加速度計，它的工作原理就是靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板的質量很大，而且它是一種懸臂構造，當速度變化或者加速度達到足夠大時，它所受到的慣性力超過固定或者支撐它的力，這時候它會移動，它跟上下電容板之間的距離就會變化，上下電容就會因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據不同測量范圍，中間電容板懸臂構造的強度或者彈性系數可以設計得不同。還有如果要測量不同方向的加速度，這個MEMS的結構會有很大的不同。電容的變化會被另外一塊專用芯片轉化成電壓信號，有時還會把這個電壓信號放大。電壓信號在數字化后經過一個數字信號處理過程，在零點和靈敏度校正后輸出。
加速度計還有一個自測試功能。當它剛通電時，邏輯控制會向自測試電路發出命令。自測試電路產生一個直流電壓加載到MEMS芯片的自測試電路板上，中間可活動電容板就會因靜電吸引而下移。接下來的處理過程跟測試真的加速度一樣。
目前，國外眾多研究機構和慣性器件廠商都開展了MEMS加速度計技術研究，如美國的Draper實驗室、Michigan大學、加州大學Berkley分校、瑞士Neuchatel大學、美國Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國的BAE公司等。
其中，以Draper實驗室為代表的研究機構和大學的主要工作在于提升MEMS加速度計的技術指標。能夠提供實用化MEMS加速度計產品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。
（2）MEMS陀螺儀角速度計
自20世紀80年代以來，對角速率敏感的MEMS陀螺儀角速度計受到越來越多的關注。根據性能指標，MEMS陀螺儀同樣可以分為三級：速率級、戰術級和慣性級。速率級陀螺儀可用于消費類電子產品、手機、數碼相機、游戲機和無線鼠標；戰術級陀螺儀適用于工業控制、智能汽車、火車、汽船等領域；慣性級陀螺儀可用于衛星、航空航天的導航、制導和控制。
上圖為MEMS陀螺儀角速度計（MEMS gyroscope），其工作原理是利用角動量守恒原理及科里奧效應測量運動物體的角速率。它主要是一個不停轉動的物體，它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。
與加速度計工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容。當陀螺儀轉動時，他與下面電容板之間的距離機會發生變化，上下電容也就會因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測量當前的角速度。
據不完全統計，研究MEMS陀螺儀的機構如下：斯坦福大學、密歇根大學、加州大學伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術大學、弗萊堡大學、南安普敦大學、首爾國立大學、根特大學、清華大學、北京大學、東南大學、上海交通大學、浙江大學、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。
（3）慣性傳感器的誤差問題
由于制作工藝的原因，慣性傳感器測量的數據通常都會有一定誤差。第一種誤差是偏移誤差，也就是陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉或加速的情況下也會有非零的數據輸出。要想得到位移數據，我們需要對加速度計的輸出進行兩次積分。在兩次積分后，即使很小的偏移誤差會被放大，隨著時間推進，位移誤差會不斷積累，最終導致我們沒法再跟蹤物體的位置。第二種誤差是比例誤差，所測量的輸出和被檢測輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似，在兩次積分后，隨著時間推進，其造成的位移誤差也會不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會導致我們沒法再跟蹤物體的位置。
三、慣性傳感器應用
慣性傳感器能夠為車輛中的所有控制單元提供車輛的即時運動狀態。路線偏移，縱向橫向的擺動角速度，以及縱向、橫向和垂直加速度等信號被準確采集，并通過標準接口傳輸至數據總線。所獲得的信號用于復雜的調節算法，以增強乘用車和商用車（例如，ESC/ESP、ADAS、AD）以及摩托車（優化的曲線 ABS）、工業車輛和農用車的舒適性與安全應用，如下圖示。
在無人車方面的應用多與GPS或者GNSS組合使用，如下圖示：
四、MEMS慣性傳感器的發展
未來MEMS慣性傳感器的發展主要有四個方向：
1、高精度
導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細化測量需求和智能化的發展也對傳感器的精度提出了越來越高的要求。
2、微型化
器件的微型化可以實現設備便攜性，滿足分布式應用要求。微型化是未來智能傳感設備的發展趨勢，是實現萬物互聯的基礎。
3、高集成度
無論是慣性測量單元還是慣性微系統都是為了提高器件的集成度，進而實現在更小的體積內具備更多的測量功能，滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。
4、適應性強
隨著MEMS慣性傳感器的應用范圍越來越廣泛，工作環境也會越來越復雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高沖擊等，適應復雜環境能夠進一步拓寬MEMS慣性傳感器的應用范圍。
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