精确而稳定的IMU解决方案助推消费电子设备

TDK InvenSense

一、前言

基于动作和姿势的惯性测量设备（IMU）设备正迅速成为许多消费电子设备的关键性元件，如移动设备、可穿戴设备、智能家居设备、汽车和工业设备，由陀螺仪、加速度计、罗盘和压力传感器等组成的运动解决方案在三维空间中检测、追踪物体的运动中发挥重要作用，使用户可以通过在自由空间中追踪运动并将这些运动作为输入命令发送，与其电子设备进行交互。InvenSense是世界上率先提供运动接口解决方案的公司，这些解决方案中包括完全集成的传感器和稳健的MotionFusion™（移动融合）固件算法，MotionTracking™（运动追踪）设备使用户能够以最小的开发成本和工作量直接方便地将运动接口功能集成到设备中。

二、IMU的功能

IMU是一类对物理运动参数，包括加速度、旋转或位置变化，作出反应或感知这些物理量的设备。

1、加速度计传感器

加速度传感器测量加速度，其中包括由设备运动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）为单位测量的（1g=9.8m/s2）。加速度计还可结合在X、Y、Z坐标系中定义的单轴、双轴或三轴一起使用。通过测量重力加速度的分量，计算与重力方向的夹角，加速度计可以用来检测设备的静置姿态。图1所示为加速度计传感器坐标系。

2、陀螺仪传感器

陀螺仪测量角速率，通常以度每秒表示。相对于时间的积分角速率测量得到一个移动角度，可以用来追踪方向的变化。陀螺仪有单轴、双轴或三轴，可以同时测量俯仰、横滚和航向角。图2所示为陀螺仪传感器测量坐标轴。

三、InvenSense IMU系列

作为行业的先锋，InvenSense一直提供创新的运动接口解决方案。2006年，InvenSense以业界第一个面向数码相机市场的双轴MEMS陀螺仪开始起步；2009年，提出业界第一个面向智能手机的集成三轴运动处理解决方案；2010年，推出业界第一个单芯片集成六轴MotionTracking™运动追踪设备；2012年，推出业界第一个集成九轴MotionTracking™运动追踪设备；2014年，推出业界第一个集成数字运动处理器（DMP™）的七轴（三轴陀螺仪+三轴加速度计+压力传感器）单芯片平台解决方案。

1、六轴IMU系列——三轴陀螺仪+三轴加速度计

InvenSense的六轴IMU组成如图3所示。系列中包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，它们位于同一个硅片上，性能好、噪声低、温度稳定性高、灵敏度精度高。这些参数对用户体验非常关键，例如导航、成像和增强现实等。六轴系列还支持高度可配置多接口设备，例如支持压力计和气压计等外部设备。使用InvenSense MotionApps™平台可以大幅降低操作系统管理传感器的工作量，同时使用结构化的API使基于运动的复杂性同步降低。

2、七轴IMU系列——三轴陀螺仪+三轴加速度计+气压传感器

InvenSense七轴IMU设备是一种集成的六轴惯性设备，它将三轴陀螺仪、三轴加速度计和超低噪声MEMS电容气压传感器结合在一起。这种独特的七轴设备提供离散组件的优良性能，用于追踪旋转、线性运动以及压差，但整体尺寸大幅减小。这个七轴设备增加了一个超低噪声、温度稳定的MEMS电容气压传感器，从而在六轴惯性传感器的性能（已经过时间检验）的基础上，提供了一个简单的升级路径。图4所示为七轴IMU组成。

3、九轴IMU系列——三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴罗盘

InvenSense的九轴MotionTracking™（运动追踪）设备系列采用先进技术，设计用于电池驱动的高性能消费电子设备。该设备系列将一个三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴罗盘集成在同一个芯片中，并配备了一个能够处理复杂的MotionFusion™（运动融合）算法的DMP™。九轴产品系列包含相同的MotionFusion™（运动融合）和运行时校准（InvenSense的六轴系列产品也同样支持）。这个解决方案已交付数百万件产品，并在市场上得到了很好的验证。对于智能手机和可穿戴传感器等空间受限的产品来说，集成九轴设备相对于分离解决方案的尺寸优势非常引人注目。图5所示为九轴IMU组成。

4、CMOS-MEMS制造平台

InvenSense的集成设备使制造商能够免于昂贵、复杂的选择过程、验证过程和分离器件的系统级集成，同时保证最佳的运动性能。其专利CMOS-MEMS制造平台通过晶片级键合将MEMS晶片和配套的CMOS电子元件集成在一起，保证了可以提供低成本、小体积、高性能封装的产品。图6所示为InvenSense的CMOSMEMS制造平台，对比传统的MEMS-SIP封装具有较大的优势。

四、Smartmotion®智能运动平台

图7所示为InvenSense的Smartmotion®智能运动平台，这是InvenSense开发的一轴、六轴、七轴和九轴IMU的综合开发工具包。平台以SAMG55单片机为核心设计，内置512KB闪存，可用于客户快速评估和开发基于InvenSense传感器的解决方案。该平台集成了一个板上嵌入式调试器，因此不需要外部工具来编写或调试SAMG55单片机，可以节省外部JTAG调试器的成本。平台具有可扩展设计，支持传统的和未来的IMU，带有微芯片外部模块的WiFi/BLE支持，设置时间少于15min。

平台运行的软件包括基于GUI的传感器评估工具InvenSense MotionLink和用于InvenSense传感器的嵌入式运动驱动程序（eMD）。MotionLink可用于捕获和可视化IMU数据。eMD支持传感器融合，由一组api组成，用于配置平台，包括传感器参数，如满量程（FSR）、输出数据速率（ODR）、低功耗或低噪声模式，以及到主机的传感器接口（I2C和SPI）。