TDK InvenSense

一、前言

基于動(dòng)作和姿勢(shì)的慣性測(cè)量設(shè)備（IMU）設(shè)備正迅速成為許多消費(fèi)電子設(shè)備的關(guān)鍵性元件，如移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備、汽車(chē)和工業(yè)設(shè)備，由陀螺儀、加速度計(jì)、羅盤(pán)和壓力傳感器等組成的運(yùn)動(dòng)解決方案在三維空間中檢測(cè)、追蹤物體的運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮重要作用，使用戶(hù)可以通過(guò)在自由空間中追蹤運(yùn)動(dòng)并將這些運(yùn)動(dòng)作為輸入命令發(fā)送，與其電子設(shè)備進(jìn)行交互。InvenSense是世界上率先提供運(yùn)動(dòng)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(dòng)融合）固件算法，MotionTracking?（運(yùn)動(dòng)追蹤）設(shè)備使用戶(hù)能夠以最小的開(kāi)發(fā)成本和工作量直接方便地將運(yùn)動(dòng)接口功能集成到設(shè)備中。

二、IMU的功能

IMU是一類(lèi)對(duì)物理運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括加速度、旋轉(zhuǎn)或位置變化，作出反應(yīng)或感知這些物理量的設(shè)備。

1、加速度計(jì)傳感器

加速度傳感器測(cè)量加速度，其中包括由設(shè)備運(yùn)動(dòng)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(cè)量的（1g=9.8m/s2）。加速度計(jì)還可結(jié)合在X、Y、Z坐標(biāo)系中定義的單軸、雙軸或三軸一起使用。通過(guò)測(cè)量重力加速度的分量，計(jì)算與重力方向的夾角，加速度計(jì)可以用來(lái)檢測(cè)設(shè)備的靜置姿態(tài)。圖1所示為加速度計(jì)傳感器坐標(biāo)系。

2、陀螺儀傳感器

陀螺儀測(cè)量角速率，通常以度每秒表示。相對(duì)于時(shí)間的積分角速率測(cè)量得到一個(gè)移動(dòng)角度，可以用來(lái)追蹤方向的變化。陀螺儀有單軸、雙軸或三軸，可以同時(shí)測(cè)量俯仰、橫滾和航向角。圖2所示為陀螺儀傳感器測(cè)量坐標(biāo)軸。

三、InvenSense IMU系列

作為行業(yè)的先鋒，InvenSense一直提供創(chuàng)新的運(yùn)動(dòng)接口解決方案。2006年，InvenSense以業(yè)界第一個(gè)面向數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的雙軸MEMS陀螺儀開(kāi)始起步；2009年，提出業(yè)界第一個(gè)面向智能手機(jī)的集成三軸運(yùn)動(dòng)處理解決方案；2010年，推出業(yè)界第一個(gè)單芯片集成六軸MotionTracking?運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備；2012年，推出業(yè)界第一個(gè)集成九軸MotionTracking?運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備；2014年，推出業(yè)界第一個(gè)集成數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP?）的七軸（三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+壓力傳感器）單芯片平臺(tái)解決方案。

1、六軸IMU系列——三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)

InvenSense的六軸IMU組成如圖3所示。系列中包括一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)，它們位于同一個(gè)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(duì)用戶(hù)體驗(yàn)非常關(guān)鍵，例如導(dǎo)航、成像和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。六軸系列還支持高度可配置多接口設(shè)備，例如支持壓力計(jì)和氣壓計(jì)等外部設(shè)備。使用InvenSense MotionApps?平臺(tái)可以大幅降低操作系統(tǒng)管理傳感器的工作量，同時(shí)使用結(jié)構(gòu)化的API使基于運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性同步降低。

2、七軸IMU系列——三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+氣壓傳感器

InvenSense七軸IMU設(shè)備是一種集成的六軸慣性設(shè)備，它將三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和超低噪聲MEMS電容氣壓傳感器結(jié)合在一起。這種獨(dú)特的七軸設(shè)備提供離散組件的優(yōu)良性能，用于追蹤旋轉(zhuǎn)、線性運(yùn)動(dòng)以及壓差，但整體尺寸大幅減小。這個(gè)七軸設(shè)備增加了一個(gè)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(guò)時(shí)間檢驗(yàn)）的基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的升級(jí)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(jì)+三軸羅盤(pán)

InvenSense的九軸MotionTracking?（運(yùn)動(dòng)追蹤）設(shè)備系列采用先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)用于電池驅(qū)動(dòng)的高性能消費(fèi)電子設(shè)備。該設(shè)備系列將一個(gè)三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸羅盤(pán)集成在同一個(gè)芯片中，并配備了一個(gè)能夠處理復(fù)雜的MotionFusion?（運(yùn)動(dòng)融合）算法的DMP?。九軸產(chǎn)品系列包含相同的MotionFusion?（運(yùn)動(dòng)融合）和運(yùn)行時(shí)校準(zhǔn)（InvenSense的六軸系列產(chǎn)品也同樣支持）。這個(gè)解決方案已交付數(shù)百萬(wàn)件產(chǎn)品，并在市場(chǎng)上得到了很好的驗(yàn)證。對(duì)于智能手機(jī)和可穿戴傳感器等空間受限的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，集成九軸設(shè)備相對(duì)于分離解決方案的尺寸優(yōu)勢(shì)非常引人注目。圖5所示為九軸IMU組成。

4、CMOS-MEMS制造平臺(tái)

InvenSense的集成設(shè)備使制造商能夠免于昂貴、復(fù)雜的選擇過(guò)程、驗(yàn)證過(guò)程和分離器件的系統(tǒng)級(jí)集成，同時(shí)保證最佳的運(yùn)動(dòng)性能。其專(zhuān)利CMOS-MEMS制造平臺(tái)通過(guò)晶片級(jí)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(tái)，對(duì)比傳統(tǒng)的MEMS-SIP封裝具有較大的優(yōu)勢(shì)。

四、Smartmotion?智能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

圖7所示為InvenSense的Smartmotion?智能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，這是InvenSense開(kāi)發(fā)的一軸、六軸、七軸和九軸IMU的綜合開(kāi)發(fā)工具包。平臺(tái)以SAMG55單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)，內(nèi)置512KB閃存，可用于客戶(hù)快速評(píng)估和開(kāi)發(fā)基于InvenSense傳感器的解決方案。該平臺(tái)集成了一個(gè)板上嵌入式調(diào)試器，因此不需要外部工具來(lái)編寫(xiě)或調(diào)試SAMG55單片機(jī)，可以節(jié)省外部JTAG調(diào)試器的成本。平臺(tái)具有可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，支持傳統(tǒng)的和未來(lái)的IMU，帶有微芯片外部模塊的WiFi/BLE支持，設(shè)置時(shí)間少于15min。

平臺(tái)運(yùn)行的軟件包括基于GUI的傳感器評(píng)估工具InvenSense MotionLink和用于InvenSense傳感器的嵌入式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(tái)，包括傳感器參數(shù)，如滿(mǎn)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(jī)的傳感器接口（I2C和SPI）。