精確而穩(wěn)定的IMU解決方案助推消費電子設備

TDK InvenSense

一、前言

基于動作和姿勢的慣性測量設備（IMU）設備正迅速成為許多消費電子設備的關(guān)鍵性元件，如移動設備、可穿戴設備、智能家居設備、汽車和工業(yè)設備，由陀螺儀、加速度計、羅盤和壓力傳感器等組成的運動解決方案在三維空間中檢測、追蹤物體的運動中發(fā)揮重要作用，使用戶可以通過在自由空間中追蹤運動并將這些運動作為輸入命令發(fā)送，與其電子設備進行交互。InvenSense是世界上率先提供運動接口解決方案的公司，這些解決方案中包括完全集成的傳感器和穩(wěn)健的MotionFusion?（移動融合）固件算法，MotionTracking?（運動追蹤）設備使用戶能夠以最小的開發(fā)成本和工作量直接方便地將運動接口功能集成到設備中。

二、IMU的功能

IMU是一類對物理運動參數(shù)，包括加速度、旋轉(zhuǎn)或位置變化，作出反應或感知這些物理量的設備。

1、加速度計傳感器

加速度傳感器測量加速度，其中包括由設備運動引起的加速度分量和由重力引起的加速度。加速度是以g（重力加速度）為單位測量的（1g=9.8m/s2）。加速度計還可結(jié)合在X、Y、Z坐標系中定義的單軸、雙軸或三軸一起使用。通過測量重力加速度的分量，計算與重力方向的夾角，加速度計可以用來檢測設備的靜置姿態(tài)。圖1所示為加速度計傳感器坐標系。

2、陀螺儀傳感器

陀螺儀測量角速率，通常以度每秒表示。相對于時間的積分角速率測量得到一個移動角度，可以用來追蹤方向的變化。陀螺儀有單軸、雙軸或三軸，可以同時測量俯仰、橫滾和航向角。圖2所示為陀螺儀傳感器測量坐標軸。

三、InvenSense IMU系列

作為行業(yè)的先鋒，InvenSense一直提供創(chuàng)新的運動接口解決方案。2006年，InvenSense以業(yè)界第一個面向數(shù)碼相機市場的雙軸MEMS陀螺儀開始起步；2009年，提出業(yè)界第一個面向智能手機的集成三軸運動處理解決方案；2010年，推出業(yè)界第一個單芯片集成六軸MotionTracking?運動追蹤設備；2012年，推出業(yè)界第一個集成九軸MotionTracking?運動追蹤設備；2014年，推出業(yè)界第一個集成數(shù)字運動處理器（DMP?）的七軸（三軸陀螺儀+三軸加速度計+壓力傳感器）單芯片平臺解決方案。

1、六軸IMU系列——三軸陀螺儀+三軸加速度計

InvenSense的六軸IMU組成如圖3所示。系列中包括一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計，它們位于同一個硅片上，性能好、噪聲低、溫度穩(wěn)定性高、靈敏度精度高。這些參數(shù)對用戶體驗非常關(guān)鍵，例如導航、成像和增強現(xiàn)實等。六軸系列還支持高度可配置多接口設備，例如支持壓力計和氣壓計等外部設備。使用InvenSense MotionApps?平臺可以大幅降低操作系統(tǒng)管理傳感器的工作量，同時使用結(jié)構(gòu)化的API使基于運動的復雜性同步降低。

2、七軸IMU系列——三軸陀螺儀+三軸加速度計+氣壓傳感器

InvenSense七軸IMU設備是一種集成的六軸慣性設備，它將三軸陀螺儀、三軸加速度計和超低噪聲MEMS電容氣壓傳感器結(jié)合在一起。這種獨特的七軸設備提供離散組件的優(yōu)良性能，用于追蹤旋轉(zhuǎn)、線性運動以及壓差，但整體尺寸大幅減小。這個七軸設備增加了一個超低噪聲、溫度穩(wěn)定的MEMS電容氣壓傳感器，從而在六軸慣性傳感器的性能（已經(jīng)過時間檢驗）的基礎(chǔ)上，提供了一個簡單的升級路徑。圖4所示為七軸IMU組成。

3、九軸IMU系列——三軸陀螺儀+三軸加速度計+三軸羅盤

InvenSense的九軸MotionTracking?（運動追蹤）設備系列采用先進技術(shù)，設計用于電池驅(qū)動的高性能消費電子設備。該設備系列將一個三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸羅盤集成在同一個芯片中，并配備了一個能夠處理復雜的MotionFusion?（運動融合）算法的DMP?。九軸產(chǎn)品系列包含相同的MotionFusion?（運動融合）和運行時校準（InvenSense的六軸系列產(chǎn)品也同樣支持）。這個解決方案已交付數(shù)百萬件產(chǎn)品，并在市場上得到了很好的驗證。對于智能手機和可穿戴傳感器等空間受限的產(chǎn)品來說，集成九軸設備相對于分離解決方案的尺寸優(yōu)勢非常引人注目。圖5所示為九軸IMU組成。

4、CMOS-MEMS制造平臺

InvenSense的集成設備使制造商能夠免于昂貴、復雜的選擇過程、驗證過程和分離器件的系統(tǒng)級集成，同時保證最佳的運動性能。其專利CMOS-MEMS制造平臺通過晶片級鍵合將MEMS晶片和配套的CMOS電子元件集成在一起，保證了可以提供低成本、小體積、高性能封裝的產(chǎn)品。圖6所示為InvenSense的CMOSMEMS制造平臺，對比傳統(tǒng)的MEMS-SIP封裝具有較大的優(yōu)勢。

四、Smartmotion?智能運動平臺

圖7所示為InvenSense的Smartmotion?智能運動平臺，這是InvenSense開發(fā)的一軸、六軸、七軸和九軸IMU的綜合開發(fā)工具包。平臺以SAMG55單片機為核心設計，內(nèi)置512KB閃存，可用于客戶快速評估和開發(fā)基于InvenSense傳感器的解決方案。該平臺集成了一個板上嵌入式調(diào)試器，因此不需要外部工具來編寫或調(diào)試SAMG55單片機，可以節(jié)省外部JTAG調(diào)試器的成本。平臺具有可擴展設計，支持傳統(tǒng)的和未來的IMU，帶有微芯片外部模塊的WiFi/BLE支持，設置時間少于15min。

平臺運行的軟件包括基于GUI的傳感器評估工具InvenSense MotionLink和用于InvenSense傳感器的嵌入式運動驅(qū)動程序（eMD）。MotionLink可用于捕獲和可視化IMU數(shù)據(jù)。eMD支持傳感器融合，由一組api組成，用于配置平臺，包括傳感器參數(shù)，如滿量程（FSR）、輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）、低功耗或低噪聲模式，以及到主機的傳感器接口（I2C和SPI）。