慣性傳感器應(yīng)用：MEMS慣性傳感器在汽車中的應(yīng)用

越來(lái)越多汽車系統(tǒng)中搭載了多種MEMS慣性傳感器，以增強(qiáng)汽車的可靠性，提高駕駛員的安全性。更低的價(jià)格，更可靠的設(shè)備，更高端的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了汽車的很多理想功能，并越來(lái)越普及化。　
慣性傳感器在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用是無(wú)處不在的，有些可能司空見(jiàn)慣，有些似曾相識(shí)，雖然一些尖端技術(shù)現(xiàn)在只出現(xiàn)在高級(jí)車款中，但未來(lái)必將逐漸適配所有車型，成為標(biāo)準(zhǔn)配置。
1. 側(cè)翻檢測(cè)　　
側(cè)翻檢測(cè)系統(tǒng)中，慣性傳感器讀取車輛的側(cè)傾角度、側(cè)傾率、加速度等主要數(shù)據(jù)，檢測(cè)車輛是否正在側(cè)翻并觸發(fā)安全氣囊裝置以保護(hù)車內(nèi)人員。近年來(lái)，大型車事故頻發(fā)，由于這些車輛體積龐大，重心較高，且常常荷載大宗貨品，重心不穩(wěn)，更容易發(fā)生側(cè)翻。車輛在實(shí)際行駛過(guò)程中處于不同環(huán)境條件，對(duì)慣性傳感器的穩(wěn)定性和精確性有極高的要求，且車型眾多，需要一套符合標(biāo)準(zhǔn)又適配車輛系統(tǒng)的裝置。
2. 慣性導(dǎo)航　　
現(xiàn)代化城市道路建設(shè)發(fā)展迅速，導(dǎo)航保證了廣大駕員能在陌生或復(fù)雜的道路系統(tǒng)中穿梭，車輛內(nèi)置的導(dǎo)航系統(tǒng)借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、路徑規(guī)劃、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等實(shí)時(shí)獲取道路信息。導(dǎo)航系統(tǒng)中加入慣性傳感器是對(duì)單一衛(wèi)星導(dǎo)航模式的補(bǔ)充和完善，鱗次櫛比的高樓大廈、人煙荒蕪的野外，衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)較弱或不穩(wěn)定甚至丟失，慣性傳感器仍可以根據(jù)最后更新的位置信息推測(cè)位移方向。
3. 輔助與自動(dòng)駕駛　　
慣性傳感器與雷達(dá)、圖像捕捉等感知系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)車距控制、車速調(diào)整、車道變換、緊急制動(dòng)。傳統(tǒng)的巡航功能是保持定速前進(jìn)的，然而周圍的車輛速度和車道隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，還是需要不停切換。主動(dòng)車距控制巡航雷達(dá)測(cè)量距離，可以根據(jù)需要調(diào)整車速，從而與其他車輛保持安全距離。慣性傳感器進(jìn)行路線預(yù)測(cè)與規(guī)劃，同樣輔助巡航。當(dāng)車輛上坡時(shí)，慣性傳感器檢測(cè)到傾側(cè)角度，確定施加的校正力度，避免車輛后溜，有效提高駕駛技術(shù)和人員安全性。相同地，慣性傳感器也是利用攝影機(jī)、雷達(dá)和雷射來(lái)達(dá)到輔助駕駛。感知車輛所屬環(huán)境，記錄分析預(yù)測(cè)駕駛習(xí)慣，結(jié)合地圖導(dǎo)航和視覺(jué)系統(tǒng)，規(guī)劃行車路徑，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。近些年進(jìn)行的自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)中，在相對(duì)簡(jiǎn)單的行駛環(huán)境中還是容易做到的。

4. 傳感器融合　　
慣性傳感器適應(yīng)惡劣的環(huán)境，沒(méi)有什么限制因素，可以獨(dú)立工作，測(cè)量物體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)計(jì)算傳輸。不同情況下，與其他系統(tǒng)合作的方式可以是各自為戰(zhàn)，擇優(yōu)而作，或者通力合作，相互結(jié)合。日益增長(zhǎng)的消費(fèi)需求，對(duì)汽車制造行業(yè)和慣性傳感器制造商提出了更高要求，堅(jiān)持技術(shù)開發(fā)，具有市場(chǎng)前瞻性，在現(xiàn)有的功能基礎(chǔ)上，添加更智能化的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品精準(zhǔn)性，是尋求發(fā)展的必要策略。

慣性傳感器應(yīng)用：一文讀懂汽車MEMS慣性傳感器的七大應(yīng)用（上）

本文中，我們將研究汽車MEMS慣性傳感器的應(yīng)用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS慣性傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用改進(jìn)。
　　當(dāng)前，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器已被大多數(shù)汽車工程師視為尖端技術(shù)或邊緣技術(shù)，以尋求提高性能、降低成本并增強(qiáng)家用轎車的可靠性。實(shí)際上，在過(guò)去的十年中，汽車中已經(jīng)使用了數(shù)億個(gè)MEMS傳感器。
但是，MEMS傳感器中的許多傳感器（例如MEMS壓力傳感器）只是用更便宜、更可靠的設(shè)備替代了舊技術(shù)，相比之下，MEMS慣性傳感器實(shí)現(xiàn)了許多理想的功能，這些功能在當(dāng)今的汽車中越來(lái)越普遍。據(jù)了解，慣性傳感器包括加速度計(jì)(或加速度傳感計(jì))和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測(cè)量單元)、AHRS(包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng))。
　　在本文中，我們將研究汽車MEMS慣性傳感器的應(yīng)用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用改進(jìn)。許多應(yīng)用程序你可能很熟悉，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)在汽車中無(wú)處不在；一些應(yīng)用程序（通常是最有趣的）雖然只出現(xiàn)在高端機(jī)型中，但未來(lái)注定會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
　　一、安全氣囊控制的碰撞感測(cè)
　　用于安全氣囊控制的碰撞感測(cè)是慣性MEMS傳感器在汽車上最大的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中，加速度計(jì)連續(xù)測(cè)量汽車的加速度，當(dāng)該參數(shù)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，微控制器計(jì)算加速度的積分（即曲線下的面積），以確定速度是否發(fā)生了較大的凈變化。如果有的話，安全氣囊就會(huì)被引爆，發(fā)射前安全氣囊的決定必須在幾十毫秒內(nèi)做出，由于車門比方向盤或儀表板更靠近乘員，因此必須更快地決定是否啟用側(cè)氣囊。
　　大約15或20年前，當(dāng)安全氣囊首次出現(xiàn)在汽車中時(shí)，安全氣囊控制模塊的制造商就依賴于分布在整個(gè)汽車中的g個(gè)開關(guān)（慣性開關(guān)，它由裝在圓柱形外殼中的觸點(diǎn)、球和彈簧組成）。這些開關(guān)沒(méi)有提供有關(guān)所感測(cè)到的加速度性質(zhì)的大量信息，它們只是提供開/關(guān)信號(hào)，告訴你加速度高于或低于閾值。因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的中控臺(tái)安全氣囊控制模塊需要幾個(gè)開關(guān)（通常是3到7個(gè)）來(lái)確定加速度是路面不平還是撞車的結(jié)果。而且更糟糕的是，由于其觸點(diǎn)g開關(guān)的可靠性、所需的長(zhǎng)壽命以及高昂成本，因此將它們連接到整個(gè)汽車的多個(gè)位置增加了成本，降低了可靠性。
　　而將MEMS加速度計(jì)引入安全氣囊控制模塊實(shí)際上消除了將g開關(guān)用作安全氣囊模塊中的主要加速度傳感器的麻煩，由于MEMS加速度計(jì)讀取連續(xù)（模擬）測(cè)量值，因此可以在中央控制臺(tái)中用一個(gè)MEMS設(shè)備替換g開關(guān)。隨之而來(lái)的可靠性提高和安全氣囊系統(tǒng)價(jià)格的下降有助于使其在汽車中普及。更重要的是，MEMS加速度計(jì)可以執(zhí)行可靠的自檢，從而使安全氣囊模塊處理器可以確定傳感器的數(shù)據(jù)是否可靠或者是否必須對(duì)安全氣囊模塊進(jìn)行維修。
　　MEMS加速度計(jì)通常控制側(cè)面安全氣囊。由于必須迅速做出火災(zāi)決定，因此沒(méi)有時(shí)間等待傳感器信號(hào)通過(guò)汽車底盤的傳播，因此必須將衛(wèi)星放置在它所控制的安全氣囊附近。此外，由于沖擊和加速度計(jì)之間實(shí)際上沒(méi)有擠壓區(qū)，因此測(cè)量范圍必須在中控臺(tái)加速度計(jì)上方。結(jié)果，許多配備有側(cè)面安全氣囊的車輛可能會(huì)為此增加兩到四個(gè)MEMS加速度計(jì)。
　　某些車型上還增加了位于前保險(xiǎn)杠后面的前視碰撞傳感器，以幫助確定正面碰撞的嚴(yán)重性。將前視傳感器的加速度信號(hào)與中控臺(tái)加速度計(jì)的加速度信號(hào)進(jìn)行比較，從而使安全氣囊模塊控制器可以調(diào)節(jié)安全氣囊的充氣速度，使其與汽車的減速速度匹配。在此，高g范圍和緊湊尺寸也是該應(yīng)用中的重要因素。
二、車輛動(dòng)態(tài)控制（VDC）
　　車輛動(dòng)態(tài)控制（VDC）系統(tǒng)可幫助駕駛員在汽車開始打滑時(shí)重新獲得對(duì)汽車的控制，如果VDC正常工作，駕駛員甚至可能不知道系統(tǒng)干預(yù)了。
　　VDC系統(tǒng)由一個(gè)陀螺儀、一個(gè)低重力加速度計(jì)和每個(gè)車輪處的車輪轉(zhuǎn)速傳感器組成（ABS也可以使用車輪轉(zhuǎn)速傳感器）。測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速，并將汽車的預(yù)測(cè)偏航（或轉(zhuǎn)向）速度與陀螺儀測(cè)得的速度進(jìn)行比較。低重力加速度計(jì)還用于確定汽車是否在橫向滑動(dòng)，如果測(cè)得的橫擺速度與計(jì)算出的橫擺速度不同，或者檢測(cè)到橫向滑動(dòng)，則可以使用單輪制動(dòng)或減小扭矩來(lái)使汽車恢復(fù)原狀。
　　在MEMS陀螺儀和加速度計(jì)出現(xiàn)之前，普通乘用車的VDC是不切實(shí)際的，常規(guī)的陀螺儀和加速度計(jì)將使汽車成本增加數(shù)千美元。事實(shí)上，用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和應(yīng)變計(jì)制造的傳統(tǒng)陀螺儀可能不夠堅(jiān)固，無(wú)法滿足汽車市場(chǎng)10年以上的運(yùn)行要求，即使是MEMS陀螺儀也幾乎不能勝任這項(xiàng)任務(wù)。
　　典型的MEMS陀螺儀使用石英音叉，音叉的振動(dòng)以及施加的角度旋轉(zhuǎn)（汽車的偏航率）在音叉上產(chǎn)生科里奧利加速度，安裝在音叉上的加速計(jì)或應(yīng)變計(jì)測(cè)量微小的科里奧利力。
　　信號(hào)輸出與音叉大小成正比。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)，音叉必須劇烈振動(dòng)，最好用高Q結(jié)構(gòu)來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。制造商經(jīng)常把音叉放在真空中，以盡量減少音叉周圍空氣的機(jī)械阻尼，因?yàn)楦逹結(jié)構(gòu)可能相當(dāng)脆弱。
　　由于陀螺儀必須牢固地連接到汽車上才能準(zhǔn)確
更多見(jiàn)：

慣性傳感器應(yīng)用：慣性傳感器

收藏
查看我的收藏
0
有用+1
已投票
0
慣性傳感器
語(yǔ)音
編輯
鎖定
討論
上傳視頻
上傳視頻
本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
慣性傳感器是一種傳感器，主要是檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度(DoF)運(yùn)動(dòng)，是解決導(dǎo)航、定向和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件。
中文名
慣性傳感器
外文名
inertial sensor
用    處
檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜
本    質(zhì)
傳感器
構(gòu)    成
加速度計(jì)，角速度傳感器
目錄
1
構(gòu)成
2
分類
3
作用原理
4
應(yīng)用
5
技術(shù)導(dǎo)航
6
相關(guān)介紹
慣性傳感器構(gòu)成
編輯
語(yǔ)音
慣性傳感器包括加速度計(jì)（或加速度傳感計(jì)）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。MEMS加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測(cè)量的傳感器，通常由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測(cè)電路組成。IMU主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器及三個(gè)陀螺和解算電路組成。
[1]
慣性傳感器分類
編輯
語(yǔ)音
慣性傳感器分為兩大類：一類是角速率陀螺；另一類是線加速度計(jì)。角速率陀螺又分為：機(jī)械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺等）；光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。線加速度計(jì)又分為：機(jī)械式線加速度計(jì)；撓性線加速度計(jì)；MEMS硅﹑石英線加速度計(jì)（含壓阻﹑壓電線加速度計(jì)）；石英撓性線加速度計(jì)等。
慣性傳感器作用原理
編輯
語(yǔ)音
(1)．科里奧利(Coriolis)原理：也稱科氏效應(yīng)（科氏力正比于輸入角速率）。該原理適用于機(jī)械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺）等。Coriolis法國(guó)物理學(xué)家（1792年～1843年）。(2)．薩格納（Sagnac）原理：也稱薩氏效應(yīng)（相位差正比于輸入角速率）。該原理適用于光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。Sagnac法國(guó)物理學(xué)家（1869年～1926年），居里夫婦的朋友。1913年發(fā)明薩氏效應(yīng)。
慣性傳感器應(yīng)用
編輯
語(yǔ)音
低精度MEMS慣性傳感器作為消費(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、GPS導(dǎo)航、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂(lè)播放器、無(wú)線鼠標(biāo)、PD、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)。由于具有加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)。中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測(cè)量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GP戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人等。
[2]
慣性傳感器技術(shù)導(dǎo)航
編輯
語(yǔ)音
固態(tài)慣性傳感器有著潛在的成本、尺寸、重量等優(yōu)勢(shì)，其在系統(tǒng)中的應(yīng)用也必然激增。隨著器件成本的降低、小尺寸傳感器的出現(xiàn)，軍事應(yīng)用也出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是隨著慣性傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門導(dǎo)航技術(shù),它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在軍用航行載體和民用相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度、成本主要取決于陀螺儀和加速度傳感器的精度和成本,尤其是陀螺儀其漂移對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)位置誤差增長(zhǎng)的影響是時(shí)間的三次方函數(shù),而高精度的陀螺儀制造困難,成本很高,因此慣性技術(shù)界一直在尋求各種有效方法來(lái)提高陀螺儀的精度,同時(shí)降低系統(tǒng)成本。微型機(jī)械式慣導(dǎo)傳感器將統(tǒng)治戰(zhàn)術(shù)性能要求（或以下）的應(yīng)用領(lǐng)域。軍用市場(chǎng)將推動(dòng)這些傳感器的發(fā)展，如適用靈巧飛行器、自主導(dǎo)航導(dǎo)彈、短程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、火力控制系統(tǒng)、雷達(dá)天線的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、復(fù)合智能小型推進(jìn)器和晶片大小的INS/GPS系統(tǒng)。洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛射彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)略制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，將依賴于武器系統(tǒng)和戰(zhàn)略系統(tǒng)的總體性能要求。導(dǎo)航系統(tǒng)為提高導(dǎo)航精度，將繼續(xù)采用穩(wěn)定平臺(tái)式機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)（擺式陀螺加速度計(jì)）。從20世紀(jì)50年代的液浮陀螺儀到70年代的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀;從80年代的環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀到90年代的振動(dòng)陀螺儀以及研究報(bào)道較多的微機(jī)械電子系統(tǒng)陀螺儀相繼出現(xiàn),從而推動(dòng)了慣性傳感器不斷向前發(fā)展。因此對(duì)慣性傳感器的研究一直是各國(guó)慣性技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn),各種新材料、新技術(shù)在慣性傳感器研究中都有所體現(xiàn),隨著低成本、高精度的慣性傳感器的出現(xiàn),慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將成為通用、低價(jià)的導(dǎo)航系統(tǒng)。
[3]
慣性傳感器相關(guān)介紹
編輯
語(yǔ)音
最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得機(jī)器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了革命性的進(jìn)步。除了機(jī)器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應(yīng)用還包括：平臺(tái)穩(wěn)定、工業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、安全/監(jiān)控設(shè)備和工業(yè)車輛導(dǎo)航等。這種傳感器提供的運(yùn)動(dòng)信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動(dòng)、空間限制和其他因素的影響。對(duì)工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時(shí)序和功耗預(yù)算內(nèi)做出反應(yīng)，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且遵循良好的設(shè)計(jì)規(guī)范。了解問(wèn)題來(lái)自慣性傳感器的信息經(jīng)過(guò)處理和積分后，可以提供許多不同類型的運(yùn)動(dòng)、位置和方向輸出。每種類型的運(yùn)動(dòng)都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素，對(duì)此必須加以了解。工業(yè)控制應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備對(duì)這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測(cè)常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù)，在最簡(jiǎn)單的范例中，機(jī)械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)而言為靜態(tài)，簡(jiǎn)單的角度傳感器可能就足夠了，但實(shí)際的技術(shù)決策取決于響應(yīng)時(shí)間、沖擊和震動(dòng)、尺寸、整個(gè)使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個(gè)軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結(jié)合在一起。一旦知道正確的傳感器類型和技術(shù)后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補(bǔ)償傳感器對(duì)環(huán)境（溫度、震動(dòng)、沖擊、安裝位置、時(shí)間和其他變量）的反應(yīng)。環(huán)境補(bǔ)償涉及到額外的電路、測(cè)試、校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個(gè)傳感器都是獨(dú)特的，因此這又會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償不足或過(guò)度的額外風(fēng)險(xiǎn)，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點(diǎn)驅(qū)使許多設(shè)計(jì)工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運(yùn)用和實(shí)施過(guò)程中的障礙。線性速率抑或角速率慣性傳感器有多種類型。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經(jīng)使眾多應(yīng)用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計(jì)）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶運(yùn)動(dòng)捕捉，各種獨(dú)特的功能和應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可提供角速率檢測(cè)。兩個(gè)多晶硅檢測(cè)結(jié)構(gòu)各含一個(gè)“擾動(dòng)框架”，通過(guò)靜電將擾動(dòng)框架驅(qū)動(dòng)到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運(yùn)動(dòng)，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個(gè)外部極限處（與擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)正交）是可動(dòng)指，放在固定指之間，形成一個(gè)容性撿拾結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)科氏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，可動(dòng)指的位置變化通過(guò)電容變化進(jìn)行檢測(cè)，由此得到的信號(hào)送入一系列增益和解調(diào)級(jí)，產(chǎn)生電速率信號(hào)輸出。某些情況下，該信號(hào)還會(huì)經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個(gè)專有數(shù)字校準(zhǔn)電路。傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準(zhǔn)由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。
[4]
調(diào)理和處理在工業(yè)市場(chǎng)上，諸如震動(dòng)分析、平臺(tái)校正、一般運(yùn)動(dòng)控制之類的應(yīng)用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測(cè)元件是直接嵌入到現(xiàn)有設(shè)備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準(zhǔn)和編程功能，使器件真正獨(dú)立自足。一些應(yīng)用范例包括：● 機(jī)器自動(dòng)化：通過(guò)提高位置檢測(cè)精度，并且更加嚴(yán)格地將此信息與遠(yuǎn)程控制或編程設(shè)置的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可以使自治或遠(yuǎn)程控制的精密儀器和機(jī)械臂更加精確、有效。● 工業(yè)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控：通過(guò)將傳感器更深地嵌入機(jī)械內(nèi)部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準(zhǔn)確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實(shí)用的價(jià)值。● 移動(dòng)通信和監(jiān)控：無(wú)論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機(jī)）和定向?qū)Ш剑ɡ肎PS和其他傳感器進(jìn)行航位推算）。工業(yè)檢測(cè)市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項(xiàng)和專用輔助I/O功能等，來(lái)支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復(fù)雜的情況下，還需要采用多個(gè)傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來(lái)很簡(jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，也可能需要同時(shí)采用加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)來(lái)補(bǔ)償重力、震動(dòng)及其他不符常規(guī)的行為和影響。傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時(shí)候需要對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，即使無(wú)須補(bǔ)償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標(biāo)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，這使得上述問(wèn)題的解決更加困難。當(dāng)指定角速率傳感器要求時(shí)，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費(fèi)級(jí)陀螺儀通常不會(huì)規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無(wú)意義。例如，假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡(jiǎn)單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計(jì)通常與陀螺儀一起使用，以便檢測(cè)重力影響，并且提供必要的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程。為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時(shí)間，需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)計(jì)劃可以針對(duì)影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測(cè)試時(shí)間和補(bǔ)償算法開銷。面向具體應(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號(hào)處理結(jié)合在一起，如果具備高性價(jià)比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過(guò)去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。加速度、震動(dòng)分析在一些應(yīng)用案例中，相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過(guò)震動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)多的處理過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)所需的輸出。圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個(gè)高集成度器件示例是ADIS，它是一款完全自治的頻域震動(dòng)監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對(duì)簡(jiǎn)單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各震動(dòng)源并進(jìn)行歸類，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。能夠檢測(cè)和了解運(yùn)動(dòng)可能對(duì)幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時(shí)間、精度、工作速度等），增強(qiáng)安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險(xiǎn)情況下關(guān)機(jī)），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運(yùn)動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測(cè)不需要的運(yùn)動(dòng)。這些特性或性能升級(jí)往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無(wú)疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員不是運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專家，因此，在決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，完全集成和校準(zhǔn)的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。
詞條圖冊(cè)
更多圖冊(cè)
解讀詞條背后的知識(shí)
科技夕延說(shuō)聊
尋覓科技，讓生活更美好！
慣性傳感器（IMU）
近兩年來(lái)，車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、無(wú)人駕駛、汽車智能化等成為汽車行業(yè)的熱門話題，未來(lái)汽車將向安全、可靠和舒適的方向方向發(fā)展。這背后的發(fā)展離不開傳感器的功能，我們將討論使用越來(lái)越廣泛的慣性傳感器。一、慣性傳感器簡(jiǎn)介（IMU）慣性測(cè)量單元IMUInertialMeasurementU...
2020-10-260
科技廠長(zhǎng)
希望大家能夠多多支持
慣性傳感器安全性遭質(zhì)疑，但是IMU未來(lái)身負(fù)重?fù)?dān)
什么是慣性傳感器？加速度傳感器不僅可以向用戶竊聽(tīng)此類聲音，而且屬于慣性傳感器的陀螺儀也可以使用相同的方式進(jìn)行隱私攻擊，因此什么是慣性傳感器及其工作原理？慣性傳感器包括加速度計(jì)（也稱為加速度傳感器）和角速度傳感器（也稱為陀螺儀），以及它們的單軸，雙軸和三軸組合慣性測(cè)量單元（也...
2020-04-170
參考資料
1.

佚名. 慣性傳感器[J]. 今日電子, 2008(10):122-123.
2.

徐景碩. 慣性傳感器技術(shù)及發(fā)展[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2001, 20(5):1-4.
3.

秦勇, 臧希喆, 王曉宇,等. 基于MEMS慣性傳感器的機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 20(2):298-301.
4.

李仁, 曾慶雙, 陳希軍. 一種低成本MEMS慣性傳感器應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 22(11):1670-1674.

慣性傳感器應(yīng)用：車載慣性傳感器的四大作用

慣性傳感器在汽車中扮演舉足輕重的角色。
　　
　　AnalogDevices推出的全球第一個(gè)啟動(dòng)汽車安全氣囊的加速計(jì)
　　目前，汽車系統(tǒng)中包含多種MEMS慣性傳感器，如陀螺儀、壓力傳感器和磁力計(jì)。車載慣性傳感器雖然體型微小，卻大大提升了高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的舒適性和安全性，在汽車中扮演舉足輕重的角色。
　　1、翻履感測(cè)
　　屬于被動(dòng)安全防護(hù)功能的車輛翻覆感測(cè)可檢測(cè)汽車是否正在翻覆并及時(shí)啟動(dòng)安全氣囊裝置。在車輛翻覆時(shí)，慣性傳感器可為碰撞偵測(cè)運(yùn)算提供滾動(dòng)速率、橫向和垂直加速度等主要數(shù)據(jù)。
　　然而，在各種條件下提供可靠的傳感器訊號(hào)才是個(gè)大挑戰(zhàn)：例如在極端的酷熱或寒冷的溫度下或在碎石路上。此項(xiàng)要求也適用于電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)的慣性傳感器，ESC屬于主動(dòng)汽車安全防護(hù)功能，透過(guò)控制和啟動(dòng)汽車剎車來(lái)防止車輛打滑。
　　為因應(yīng)所面臨的挑戰(zhàn)，必須謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)出結(jié)合MEMS設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)以及對(duì)汽車系統(tǒng)的理解及要求的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品必需根據(jù)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，樣品必須先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，并與書面規(guī)劃的內(nèi)容一致。最后，傳感器必須經(jīng)過(guò)更多的實(shí)際駕駛測(cè)試，例如在冬季或碎石路上的行駛。
　　2、慣性導(dǎo)航
　　城市峽谷駕駛導(dǎo)航已經(jīng)內(nèi)建在導(dǎo)航系統(tǒng)的儀表板內(nèi)，這些技術(shù)可降低在陌生城市中自動(dòng)導(dǎo)航的壓力。藉由地圖，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的訊號(hào)、擇路運(yùn)算以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)甚至可透過(guò)車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，提供交通堵塞時(shí)的即時(shí)消息。
　　汽車工程師喜歡在導(dǎo)航系統(tǒng)中加入慣性傳感器，因?yàn)檫@些系統(tǒng)無(wú)論在「城市峽谷」，或是在GNSS訊號(hào)差、無(wú)效或根本就沒(méi)有訊號(hào)的地方仍可繼續(xù)運(yùn)作。在這種情況下，慣性傳感器可在失去訊號(hào)前最后一次GNSS的讀數(shù)之后確定位置的變化。假使駕駛在隧道內(nèi)無(wú)法接收到GPS訊號(hào)，慣性傳感器就會(huì)以公尺數(shù)推算車輛的方向。推測(cè)導(dǎo)航運(yùn)算再進(jìn)行位置變化的計(jì)算，就可根據(jù)慣性傳感器的訊號(hào)推斷你當(dāng)前所在的位置。
　　3、駕駛輔助
　　在各式駕駛輔助技術(shù)中，不僅只是巡航控制或后視攝影機(jī)。主動(dòng)車距控制巡航系統(tǒng)、車道保持和變換輔助系統(tǒng)、先進(jìn)緊急剎車系統(tǒng)及主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都屬于駕駛輔助技術(shù)的一部分。并是透過(guò)將MEMS慣性傳感器以及攝影機(jī)、雷達(dá)和/或光學(xué)雷達(dá)(LIDAR)等感知系統(tǒng)的智能結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　主動(dòng)車距控制巡航系統(tǒng)(ACC)比大家所熟悉的巡航控制功能更需具體經(jīng)驗(yàn)。雖然傳統(tǒng)的巡航控制技術(shù)可以節(jié)省油耗，且在長(zhǎng)途駕駛可更輕松，但還是得依據(jù)附近車輛的速度不時(shí)地切換巡航控制開關(guān)。這樣的困擾駕駛?cè)藨?yīng)該都經(jīng)歷過(guò)吧？為了能與其他的車輛保持安全距離，ACC可根據(jù)需要調(diào)整車速，而非保持在定速狀態(tài)下前進(jìn)。
　　ACC主要是利用雷達(dá)、攝影機(jī)或雷射來(lái)測(cè)量與物體間的距離。能夠強(qiáng)化ESC的同類慣性傳感器，也能應(yīng)用在ACC上。慣性傳感器有助于預(yù)測(cè)路徑，然后將該路徑連接到障礙物偵測(cè)上。類似的慣性裝置還能做到爬坡控制的特色，讓低重力傳感器利用向下的重力方向來(lái)確定傾斜度，使正在上坡的車輛不會(huì)往后滑動(dòng)。
　　主動(dòng)轉(zhuǎn)向則是另一項(xiàng)駕駛輔助技術(shù)，在較高的速度下可減少車輪每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向角度的變化量。此功能可提高公路駕駛的準(zhǔn)確性，偏航率傳感器可提供突發(fā)狀況的相關(guān)訊息。
　　相同地，慣性傳感器也是利用攝影機(jī)、雷達(dá)和雷射來(lái)達(dá)到輔助駕駛。偵測(cè)技術(shù)則可藉由預(yù)測(cè)汽車的移動(dòng)來(lái)達(dá)成自動(dòng)駕駛。
　　4、慣性傳感器和感知傳感器的融合
　　那視覺(jué)和感知系統(tǒng)又是如何從慣性傳感器中獲益的呢？視覺(jué)或是感知傳感器能夠察覺(jué)到正在運(yùn)動(dòng)的物體，正確判斷出運(yùn)動(dòng)物體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)估測(cè)車輛的移動(dòng)情況以及和周邊運(yùn)動(dòng)物體之間的距離。
　　慣性傳感器則完全不受感知傳感器的限制因素所影響，比如天氣條件、光照、雪地或是被遮擋的地標(biāo)。慣性傳感器不會(huì)依賴于周圍環(huán)境的亮度，因?yàn)樗鼈儨y(cè)量的是物理性運(yùn)動(dòng)，而且并不是從圖像中計(jì)算數(shù)據(jù)。此外，慣性傳感器要來(lái)得更為可靠，因?yàn)樗鼈儾恍枰c車身以外的設(shè)備有任何的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交流。近期有一項(xiàng)研究就分別討論了動(dòng)覺(jué)慣性傳感器和視覺(jué)感知系統(tǒng)在弱耦合和緊耦合兩種程度下的不同合作模式。
　　在弱耦合程度下，感知系統(tǒng)和慣性傳感器會(huì)各自獨(dú)立地定位車輛，隨后相互比對(duì)信息，修正結(jié)果。緊耦合則是另一種結(jié)果，此時(shí)對(duì)物體直接的（像素級(jí)別）視覺(jué)測(cè)量會(huì)與慣性測(cè)量裝置的讀數(shù)相互結(jié)合。
　　在兩種情況下，MEMS慣性傳感器都可以提高感知系統(tǒng)幀到幀跟蹤物體的兼容度，從而得到更精準(zhǔn)的定位。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：傳感器應(yīng)用_儀器儀表應(yīng)用 – 工采資訊