Arduino 与树莓派常用的 IMU 传感器

news2024/9/17 7:44:03

惯性测量单元（IMU）是一种高度集成的传感器系统，广泛应用于需要高精度运动和姿态信息的领域。某些高精度要求下，还需要辅以温度、气压等其他传感器信息。

一、组成与功能

1. 组成

9 轴 IMU 由三个主要部分组成：3 轴加速度计、3 轴陀螺仪和 3 轴磁力计。
- 3 轴加速度计：测量物体在 IMU 坐标系下的线加速度，计算重力分量，推断物体相对于地球的地垂线（或水平面）的倾斜角度。
- 3 轴陀螺仪：测量物体在 IMU 坐标系下的角速度，追踪物体的快速旋转变化，通过积分计算物体从初始状态到当前时刻的累计旋转。
- 3 轴磁力计：测量地球磁场在 IMU 坐标系下的方向，获取物体相对于地球磁场北向的航向（yaw）信息，辅助校正加速度计和陀螺仪的漂移。

2. 功能

全面感知：结合所有传感器的数据，9 轴 IMU 能够更全面、准确地估计物体的运动状态和姿态，包括三维线加速度、三维角速度、三维旋转四元数、地垂线方向和航向信息等。
高精度低延迟：提供高精度、低延迟的运动和姿态信息，对于导航、姿态控制、环境感知等任务至关重要。

二、应用领域

1. 无人机与机器人

在无人机和机器人领域，IMU 是实现自主导航、姿态控制和稳定飞行的关键组件。通过实时感知和计算无人机的姿态和运动状态，IMU 能够确保无人机在复杂环境中保持稳定的飞行姿态。

2. AR/VR设备

在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）设备中，IMU 用于追踪用户的头部和手部运动，实现更加沉浸式的体验。通过准确感知用户的运动状态，设备能够实时渲染出相应的虚拟场景和交互效果。

3. 智能手机与可穿戴设备

在智能手机和可穿戴设备中，IMU 被广泛应用于计步器、健康监测、游戏控制等功能中。通过感知用户的运动状态和方向变化，设备能够提供更加智能化的服务和体验。

4. 工业自动化与汽车安全

在工业自动化和汽车安全领域，IMU 也被用于监测机器和车辆的姿态和运动状态，确保生产过程的稳定性和车辆行驶的安全性。

三、常用传感器

整理了一些目前在 Arduino 与树莓派上常用的传感器，一般都有驱动，罗列如下，便于查找：

1. 惯性测量单元（IMU）传感器

MPU6050：专注于测量 X、Y、Z 三轴上的加速度、角速度和温度，但不含磁力计。
LSM6DSL/LSM6DSR/LSM6DSO/LSM6DSM/LSM6DS3/LSM6DS3H：这一系列传感器均属于高精度 IMU，能同时测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度、角速度以及温度。不同型号在性能和功耗上可能有所差异，但核心功能相同。
BMI160：高精度IMU，测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度、角速度和温度，为运动追踪、健康监测等应用提供稳定数据。
ADIS16505：高精度IMU，专注于 X、Y、Z 三轴上的加速度、角速度和温度测量，适用于对精度要求较高的工业应用。
MPU9250：集成了加速度计、陀螺仪和磁力计，能够测量 X、Y、Z 三轴上的加速度、角速度、磁场强度及温度，是运动跟踪、方向定位的理想选择。
ICM20948：高性能 IMU，集加速度计、陀螺仪、磁力计和温度传感器于一体，提供全面的运动追踪和姿态估计能力，包括 X、Y、Z 三轴上的线加速度、角速度、磁场和温度测量。
BNO055：除了基本的加速度、角速度和磁场测量外，还具备先进的姿态解算能力，能够输出 X、Y、Z 三轴上的欧拉角、四元数、线加速度和重力矢量等融合值，适用于需要高精度姿态估计的应用。
LSM9DS1：结合了加速度计、陀螺仪和磁力计的功能，专注于测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度、角速度和磁场，适用于空间定位和姿态控制。
QMI8658A：是 QST(上海矽睿) 的一款完整的 6D MEMS 惯性测量单元（IMU）。凭借其板级陀螺仪灵敏度达到 ±3% 的高精度、13 mdps/√Hz 的低陀螺仪噪声密度以及低延迟特性，QMI8658A 非常适合于消费和工业应用。

QMI8658A 集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。它提供了一个支持 I3C、I2C 以及三线或四线 SPI 的主处理器接口。
QMI8658C：是一款配备 9 轴传感器融合技术的完整 6D MEMS 惯性测量单元（IMU），具有特定的系统级方向精度。当将 QMI8658C 与提供的 XKF3 9D 传感器融合技术结合使用时，该系统具备精确的 ±3° 俯仰和滚转方向，以及典型的 ±5° 偏航/航向规格。

QMI8658C 凭借其板级陀螺仪灵敏度达到 ±3% 的高精度、15 mdps/√Hz 的低陀螺仪噪声密度以及低延迟特性，非常适合高性能消费和工业应用。

QMI8658C 集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。提供了一个用户界面（UI）接口，支持 I3C、I2C 以及三线或四线 SPI 。

QMI8658C 内置了一个名为 AttitudeEngine 的高级矢量数字信号处理器（DSP）运动协处理器。AttitudeEngine 能够高效地在高内部采样率下对高频运动进行编码，同时在较低频率的输出数据速率下保持完整的精度。

这使得应用程序能够在保持获取准确 3D 运动数据的同时，利用低输出数据速率（ODRs）或按需（主机轮询）方式。AttitudeEngine 在不影响 3D 运动跟踪精度的前提下，减少了主机处理器的数据处理和中断负载。结果是系统总功耗非常低，同时保持了高精度，这对于许多便携式和电池供电的应用至关重要。

2. 加速度传感器

ADXL34x：专用于测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度，广泛应用于运动检测、振动分析等场景。
LIS3DH：除了测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度外，还能监测电压和温度，为系统提供额外的监控功能。
LSM303C：结合加速度计和磁力计功能，测量 X、Y、Z 三轴上的线加速度、磁场强度和温度，适用于需要姿态感知和方向定位的应用。

3. 磁强计

BMM150：专门设计用于测量X、Y、Z三轴上的磁场，为电子罗盘、方向定位等应用提供精确数据。
LIS3MDL：不仅测量X、Y、Z三轴上的磁场强度，还监测温度，为磁场检测提供额外的环境信息。
QMC5883L：是一款三轴磁传感器。集成了带有信号调理ASIC的磁传感器，基于高分辨率的、采用霍尼韦尔 AMR 技术授权的磁阻技术。结合定制的 16 位 ADC ASIC，提供了低噪声、高精度、低功耗、偏移量消除和温度补偿等优势，能够实现 1° 到 2° 的罗盘航向精度。其 I²C 串行总线接口使得连接和通信变得非常简便。专为无人机、机器人、移动设备和个人手持设备中的高精度应用（如罗盘、导航和游戏）而设计。