MEMS IMU传感器在汽车电子、机器人、AR/VR场景中的应用

发布时间：2023-12-6 阅读量：2269 来源: 我爱方案网作者: bebop

IMU（Inertial Measuring Unit，惯性测量单元）是一种能够测量物体在三个正交方向的加速度和角加速度的装置。基于 IMU 采集的数据，可以进一步处理从而获得物体的速度和位移等位置信息。

1.IMU工作原理

IMU为惯性测量单元，最常见的为6轴IMU，能够提供三轴的加速度和三轴角速度。MEMS 加速度计基于牛顿第三定律，将感知到的轴向加速度转换成电信号， MEMS 陀螺仪基于角动量守恒原理及科里奥效应，将感知到的轴向角速度转换成电信号，电信号在数字化后经过一个数字信号处理过程，在零点和灵敏度校正后输出。三个互相正交的加速度计和陀螺仪组成了6轴IMU。

由于MEMS 陀螺仪的精度有限，没法根据地球自转角速度完成指北操作，同时加速度计虽能够对俯仰角和俯仰角进行观测，但对航向角不可观，所以有的MEMS IMU中还有三轴的磁力计，以提供航向角的有效观测，组成了9轴的IMU。

2.IMU应用领域

IMU 的应用场景广泛，导航为前景广阔的重要场景之一。高性能 IMU 应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能 IMU 主要应用于消费电子和汽车等领域。其中，伴随着无人系统、自动驾驶的快速发展，导航已成为前景最为广阔的应用场景之一。

在汽车自动驾驶产业中，现在通常的车载惯性传感器组件可以测量某个方向的运动状态，而惯性测量单元（IMU）作为一个嵌入了三轴线性加速度计和三轴角速度陀螺仪的模块，可测量六个自由度（“6 DOF 或六轴”）。

通过组成六轴结构的线性运动（三维空间）和旋转测量组件（滚动，俯仰和偏航），IMU 能够捕获车辆运动状态的全部分量。IMU 不仅仅可用于安全气囊和车辆稳定性控制，并且可以实时跟踪计算车辆的位置和方向。因此，IMU 通过精确校准消除温度和偏差漂移后，结合扩展卡尔曼滤波器算法能在短时间内对车辆进行精准定位，且不需要任何辅助。更先进的系统会融合车轮速度和角度信息，以辅助卡尔曼滤波器定位估计，进一步提高定位精度。

对于平衡感知和动作灵敏度要求较高的机器人而言，IMU 模块更是核心组成之一。以RH5 机器人为例，其配有多种传感器：IMU（惯性测量单元）、关节编码器、力扭矩传感器、足部接触传感器和立体声摄像机，其中本体感觉状态估计系统由 IMU 传感器、关节编码器和足部接触传感器组成。外部运动捕捉系统由 3 台连接到计算机的摄像机组成，用于跟踪机器人 IMU 框架上的反射标记，为全身控制器提供准确快速的状态反馈，并通过网络实时传输数据，检索人形浮动基的姿态，与基于 IMU 数据的本体感觉状态估计方法进行直接比较。

另外，AR/VR市场中IMU传感器也有很大的应用空间，增强现实（AR）应用为了打造更加真实和身临其境的虚拟/增强现实体验，让用户能够长时间地融入虚拟环境至关重要，这意味着以IMU为主流、数量众多的运动传感器需要极其敏感、精确、坚固和迅速响应的能力。特别是头部、躯干、关节、手指等身体部位运动的超精确瞬时检测，并将时间延迟缩短至几乎不可察觉的最小值，才能减少令人不适的晕动病效应或体验割裂感。因此，集成多种功能的紧凑型MEMS IMU往往是这一类消费级应用的首选。此外，制造业中的AR应用也在快速崛起。工人可以使用AR设备随时访问重要的技术信息，并确定正在使用的机器以及危险区域的位置等。例如飞机制造商使用AR眼镜来协助技术人员为飞机布线，从而缩短生产时间并减少出错。这些严苛的应用场景也将极大地依赖高精度、高可靠的IMU来实现。

相关方案推荐：

汽车RTK系统方案(IMU)

方案简介：基于HPM6364高性能汽车级MCU, 超强算力,卓越通讯外设(CAN FD)等; 实现高可靠性IMU模块，RTK系统。该方案是专业为IMU开发的，也适合AGV、智能小车、服务机器人等行业的定位模块。

方案特点：该产品采用先楫的单核600Mhz，有高速CANFD，Package 7*7mm 小封装的HPM6364，提高了IMU的响应速度，满足车规要求。先楫还会更小封装的产品进一步说笑IMU的尺寸。

应用领域：无人机、汽车惯性导航、铁路系统、工程车、机器人/无人车系统等。

HPM6300系列芯片

先楫半导体推出的HPM6300全系列产品采用晶心Andes D45 RISC-V内核，支持双精度浮点运算。模拟模块包括16bit-ADC，12-bit DAC和模拟比较器，配以多组纳秒级高分辨率PWM，为马达控制和数字电源应用提供强大硬件支持；通讯接口包括了实时以太网，支持IEEE1588，内置PHY的高速USB，多路CAN-FD及丰富的UART，SPI，I2C等接口。

性能方面，HPM6300的主频高达648MHz, 并具有FFA协处理器，能实现FFT/FIR快速计算，具备3个16位的ADC、10/100M以太网等，适合工业自动化、电网等行业应用，如工业自动化领域的伺服驱动器、PLC、工业控制器，电网的DTU、断路器等产品。

不仅在性能方面表现优异，HPM6300同时也是一款高性价比的产品，其高实时性、互联性、16位ADC的特性，一经推出就获得了自动化、电网、新能源客户的认可。目前已在行业头部客户中导入产品设计，在FFT、AI推理性能上超越了传统的DSP。

在工业领域，电机驱动是整个自动化的基础应用，如用于CNC机床、机器人的伺服驱动器，用于新能源汽车的主驱、压缩机驱动等。由于这些行业本身的发展和需求增加，对MCU提出了更高的要求，如高算力、高实时性、16位ADC、单芯片多轴控制等。

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