慣性測量裝置IMU的用途_IMU在主機應用處理器的功能

慣性測量裝置 (IMU) 可廣泛用于從加速計、陀螺儀及其他傳感器持續(xù)穩(wěn)定地提供多軸位置信息。鑒于多自由度 (DOF) 特性，所有生成數(shù)據(jù)（即來自這些設備的合并數(shù)據(jù)流）會使系統(tǒng)處理器一直處于喚醒模式，并且由于要篩選原始 IMU 數(shù)據(jù)來提取有用的手勢和系統(tǒng)位置信息，因此使它們不堪重負。設計人員需要設法為主處理器減負，讓其不再承擔此類篩選功能。而機器學習則可能解決這一問題。

本文將首先簡要介紹 IMU 的用途，接著介紹 STMicroelectronics 的 LSM6DSO。然后，借此器件闡釋在 IMU 中添加和集成機器學習與決策樹處理功能后，為何能為主機應用處理器分擔實時位置和運動處理，以及如何在實際應用中使用這些功能。

IMU 簡介

IMU 將各種運動傳感器集成到一個器件中，可提供高精度定位信息。IMU 可用于各種應用，包括消費（手機）、醫(yī)療（成像）、工業(yè)（機器人）和軍工（航向跟蹤）。該裝置對傳感器的運動作出響應，包含以下一種或多種運動傳感器類型：

陀螺儀傳感器測量角度位置變化，通常以每秒度數(shù)表示。隨時間進行角速度積分可測得行程角度，用于追蹤方向變化。陀螺儀追蹤與重力無關的相對運動，因此來自傳感器偏置或積分的誤差會造成稱為“漂移”的位置誤差，但可以通過軟件進行補償。

加速計測量線性加速度，包括設備運動造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度的測量單位為 g，1 g = 地球重力 = 9.8 米/秒2。加速計分為單軸、雙軸和三軸，分別定義為 X、Y、Z 坐標系。

磁傳感器測量磁場強度，通常以微特斯拉 (μT) 或高斯（100 μT = 1 高斯）為單位。移動電子設備中最常用的磁傳感器是三軸霍爾效應磁力儀。通過計算檢測到的地球磁場角度，并將此測量的角度與加速計測量的重力進行比較，即可非常精確地測量出設備相對于地磁北極的航向。

使用 IMU 的運動追蹤功能采用了傳感器融合技術，根據(jù)已知的起點和方向，推導單一、高精度的相對設備方向和位置的估計值。傳感器融合多通過軟件，使用 IMU 制造商或應用開發(fā)人員開發(fā)的復雜數(shù)學算法來組合 IMU 的各種運動傳感器輸出。

使用傳感器融合進行位置計算可得到以下測量結果：

重力– 具體而言地球重力，不含設備感應到的由運動造成的加速度。當 IMU 靜止時，加速計測量重力矢量。當 IMU 運動時，重力測量需要融合加速計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，并減去運動造成的加速度。

線性加速度– 等于加速計測得的設備加速度，但要通過軟件減去重力矢量。IMU 線性加速度可用于測量三維空間中的運動。

方向（海拔）– 歐拉角集合，包括偏航角、俯仰角和翻滾角，測量單位為度。

旋轉矢量– 由加速計、陀螺儀和磁力儀傳感器的數(shù)據(jù)組合得出。旋轉矢量表示圍繞特定軸的旋轉角度。

IMU 誤差源

陀螺儀通過角速度變化檢測方向，但隨著時間推移，陀螺儀往往會漂移，因為它僅檢測變化而沒有固定的參照系。若將加速計數(shù)據(jù)添加到陀螺儀數(shù)據(jù)中，軟件可以最大限度地減小陀螺儀偏置，從而得到更準確的位置估計。加速計檢測相對于重力的方向變化，該數(shù)據(jù)可用于給陀螺儀定向。

加速計對于靜態(tài)（與動態(tài)相反）計算更準確。當系統(tǒng)已處于運動狀態(tài)時，利用陀螺儀檢測方向要更好。加速計反應迅速，若只使用該數(shù)據(jù)，加速計抖動和噪聲會產生累積誤差。此外，由于重力之類的外力，加速計往往會使加速度失真，這也會作為噪聲在系統(tǒng)中累積。對此數(shù)據(jù)進行濾波可提高精度。

若將陀螺儀的短期精度與加速計的長期精度相結合，依靠每種傳感器的優(yōu)勢來抵消或至少減輕另一種傳感器的劣勢，可以獲得更精確的方向讀數(shù)。兩種傳感器類型的互補有助于減少誤差，但還有其他方法可用來減少誤差。

融合濾波可用來減少誤差

IMU 軟件使用濾波來最大限度地減小 IMU 數(shù)據(jù)的定位誤差。有多種濾波方法可融合傳感器數(shù)據(jù)，每種方法都有不同程度的復雜性?；パa濾波結合了高通陀螺儀濾波和低通加速計濾波。因此，加速計數(shù)據(jù)中的高頻噪聲會在短期內濾除，并且采用陀螺儀數(shù)據(jù)進行平滑處理。

執(zhí)行所有這種傳感器處理、濾波和融合所需的計算能力耗能較大；對于電池供電型系統(tǒng)，尤其是不需要 IMU 信息連續(xù)傳輸時，這可能是個問題。對于許多嵌入式應用，如果 IMU 可以生成中斷，將主機處理器從休眠模式喚醒，從而啟動處理或采取某些中斷結果操作，即可明顯降低功耗。為了實現(xiàn)此功能，一些 IMU 供應商開始在 IMU 中加入處理和決策功能。

讓 IMU 進行思考

STMicroelectronics 的 6DOF LSM6DSO 就是一款這樣的 IMU。6DOF LSM6DSO 包含三個微機電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和三個 MEMS 加速計，可以檢測方向變化和手勢，無需主機處理器的監(jiān)管或輔助，所有這些功能都在板上處理。在最高性能模式下運行時，該 IMU 的功耗為 0.55 毫安 (mA)。

在此模式下，LSM6DSO 可以持續(xù)監(jiān)測自身在空間中的海拔高度和運動，并且可以在預定條件下生成中斷，喚醒主機處理器來執(zhí)行傳感器流的額外處理。使用始終保持運轉的低功耗 IMU 很有效，因為它讓主機處理器休眠，僅在必要時喚醒。這種節(jié)能方法在電池供電型系統(tǒng)中是值得嘗試和信賴的。

除了陀螺儀和加速計傳感器之外，LSM6DSO IMU 還包含一個信號調節(jié)和濾波器模塊、一個最多可運行 16 個程序的有限狀態(tài)機 (FSM)（所有程序共享可配置的通用輸出數(shù)據(jù)速率）以及一個機器學習內核。結合使用這些資源，可以在以下情況下生成事件檢測中斷：

自由落體

喚醒

6DOF 方向

單擊和雙擊檢測

活動/非活動識別

靜止/運動檢測

信號調節(jié)塊應用存儲在靈敏度寄存器中的轉換系數(shù)，換算原始傳感器數(shù)據(jù)。然后，將原始 IMU 傳感器數(shù)據(jù)流轉換為 16 位半精度浮點 (HFP) 格式，以便 FSM 可以理解。IMU 的 MEMS 傳感器（加速計和陀螺儀）以及兩個模數(shù)轉換器 (ADC) 和四個濾波器塊如圖 1 所示。濾波器塊用于將 MEMS 傳感器的模擬信號轉換為濾波后的數(shù)字數(shù)據(jù)流。

可編程 FSM 由一個配置塊和 16 個程序塊組成。FSM 配置塊對整個 FSM 進行配置和控制。對于 16 個 FSM 程序塊，每個塊都由輸入選擇器塊和代碼塊組成（圖 2）。這兩個塊都由寫入 IMU 內部寄存器的數(shù)值來控制。

輸入選擇器塊將選定的輸入數(shù)據(jù)從一個 IMU 內部傳感器或連接到 IMU 傳感器中樞的外部傳感器發(fā)送到代碼塊。IMU 傳感器中樞可以容納多達四個額外的外部傳感器，如磁力儀，這些外部傳感器可通過 I2C 端口連接到 IMU。