慣性傳感器應用：MEMS慣性傳感器在汽車中的應用
越來越多汽車系統(tǒng)中搭載了多種MEMS慣性傳感器，以增強汽車的可靠性，提高駕駛員的安全性。更低的價格，更可靠的設備，更高端的技術，實現(xiàn)了汽車的很多理想功能，并越來越普及化。
慣性傳感器在汽車系統(tǒng)中的應用是無處不在的，有些可能司空見慣，有些似曾相識，雖然一些尖端技術現(xiàn)在只出現(xiàn)在高級車款中，但未來必將逐漸適配所有車型，成為標準配置。
1. 側(cè)翻檢測
側(cè)翻檢測系統(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)，檢測車輛是否正在側(cè)翻并觸發(fā)安全氣囊裝置以保護車內(nèi)人員。近年來，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。車輛在實際行駛過程中處于不同環(huán)境條件，對慣性傳感器的穩(wěn)定性和精確性有極高的要求，且車型眾多，需要一套符合標準又適配車輛系統(tǒng)的裝置。
2. 慣性導航
現(xiàn)代化城市道路建設發(fā)展迅速，導航保證了廣大駕員能在陌生或復雜的道路系統(tǒng)中穿梭，車輛內(nèi)置的導航系統(tǒng)借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、路徑規(guī)劃、慣性導航系統(tǒng)等實時獲取道路信息。導航系統(tǒng)中加入慣性傳感器是對單一衛(wèi)星導航模式的補充和完善，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位移方向。
3. 輔助與自動駕駛
慣性傳感器與雷達、圖像捕捉等感知系統(tǒng)結合實現(xiàn)車距控制、車速調(diào)整、車道變換、緊急制動。傳統(tǒng)的巡航功能是保持定速前進的，然而周圍的車輛速度和車道隨時會發(fā)生變化，還是需要不停切換。主動車距控制巡航雷達測量距離，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。慣性傳感器進行路線預測與規(guī)劃，同樣輔助巡航。當車輛上坡時，慣性傳感器檢測到傾側(cè)角度，確定施加的校正力度，避免車輛后溜，有效提高駕駛技術和人員安全性。相同地，慣性傳感器也是利用攝影機、雷達和雷射來達到輔助駕駛。感知車輛所屬環(huán)境，記錄分析預測駕駛習慣，結合地圖導航和視覺系統(tǒng)，規(guī)劃行車路徑，以實現(xiàn)自動駕駛。近些年進行的自動駕駛實驗中，在相對簡單的行駛環(huán)境中還是容易做到的。
4. 傳感器融合
慣性傳感器適應惡劣的環(huán)境，沒有什么限制因素，可以獨立工作，測量物體動態(tài)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)計算傳輸。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，相互結合。日益增長的消費需求，對汽車制造行業(yè)和慣性傳感器制造商提出了更高要求，堅持技術開發(fā)，具有市場前瞻性，在現(xiàn)有的功能基礎上，添加更智能化的設計，提高產(chǎn)品精準性，是尋求發(fā)展的必要策略。
慣性傳感器應用：一文讀懂汽車MEMS慣性傳感器的七大應用（上）
本文中，我們將研究汽車MEMS慣性傳感器的應用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS慣性傳感器來實現(xiàn)更大的應用改進。
當前，微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器已被大多數(shù)汽車工程師視為尖端技術或邊緣技術，以尋求提高性能、降低成本并增強家用轎車的可靠性。實際上，在過去的十年中，汽車中已經(jīng)使用了數(shù)億個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、更可靠的設備替代了舊技術，相比之下，MEMS慣性傳感器實現(xiàn)了許多理想的功能，這些功能在當今的汽車中越來越普遍。據(jù)了解，慣性傳感器包括加速度計(或加速度傳感計)和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測量單元)、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慣性傳感器的應用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS傳感器來實現(xiàn)更大的應用改進。許多應用程序你可能很熟悉，因為它們已經(jīng)在汽車中無處不在；一些應用程序（通常是最有趣的）雖然只出現(xiàn)在高端機型中，但未來注定會成為標準設備。
一、安全氣囊控制的碰撞感測
用于安全氣囊控制的碰撞感測是慣性MEMS傳感器在汽車上最大的應用。在這種應用中，加速度計連續(xù)測量汽車的加速度，當該參數(shù)超過預定閾值時，微控制器計算加速度的積分（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，當安全氣囊首次出現(xiàn)在汽車中時，安全氣囊控制模塊的制造商就依賴于分布在整個汽車中的g個開關（慣性開關，它由裝在圓柱形外殼中的觸點、球和彈簧組成）。這些開關沒有提供有關所感測到的加速度性質(zhì)的大量信息，它們只是提供開/關信號，告訴你加速度高于或低于閾值。因此，一個簡單的中控臺安全氣囊控制模塊需要幾個開關（通常是3到7個）來確定加速度是路面不平還是撞車的結果。而且更糟糕的是，由于其觸點g開關的可靠性、所需的長壽命以及高昂成本，因此將它們連接到整個汽車的多個位置增加了成本，降低了可靠性。
而將MEMS加速度計引入安全氣囊控制模塊實際上消除了將g開關用作安全氣囊模塊中的主要加速度傳感器的麻煩，由于MEMS加速度計讀取連續(xù)（模擬）測量值，因此可以在中央控制臺中用一個MEMS設備替換g開關。隨之而來的可靠性提高和安全氣囊系統(tǒng)價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安全氣囊模塊進行維修。
MEMS加速度計通?？刂苽?cè)面安全氣囊。由于必須迅速做出火災決定，因此沒有時間等待傳感器信號通過汽車底盤的傳播，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之間實際上沒有擠壓區(qū)，因此測量范圍必須在中控臺加速度計上方。結果，許多配備有側(cè)面安全氣囊的車輛可能會為此增加兩到四個MEMS加速度計。
某些車型上還增加了位于前保險杠后面的前視碰撞傳感器，以幫助確定正面碰撞的嚴重性。將前視傳感器的加速度信號與中控臺加速度計的加速度信號進行比較，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用中的重要因素。
二、車輛動態(tài)控制（VDC）
車輛動態(tài)控制（VDC）系統(tǒng)可幫助駕駛員在汽車開始打滑時重新獲得對汽車的控制，如果VDC正常工作，駕駛員甚至可能不知道系統(tǒng)干預了。
VDC系統(tǒng)由一個陀螺儀、一個低重力加速度計和每個車輪處的車輪轉(zhuǎn)速傳感器組成（ABS也可以使用車輪轉(zhuǎn)速傳感器）。測量車輪轉(zhuǎn)速，并將汽車的預測偏航（或轉(zhuǎn)向）速度與陀螺儀測得的速度進行比較。低重力加速度計還用于確定汽車是否在橫向滑動，如果測得的橫擺速度與計算出的橫擺速度不同，或者檢測到橫向滑動，則可以使用單輪制動或減小扭矩來使汽車恢復原狀。
在MEMS陀螺儀和加速度計出現(xiàn)之前，普通乘用車的VDC是不切實際的，常規(guī)的陀螺儀和加速度計將使汽車成本增加數(shù)千美元。事實上，用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和應變計制造的傳統(tǒng)陀螺儀可能不夠堅固，無法滿足汽車市場10年以上的運行要求，即使是MEMS陀螺儀也幾乎不能勝任這項任務。
典型的MEMS陀螺儀使用石英音叉，音叉的振動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或應變計測量微小的科里奧利力。
信號輸出與音叉大小成正比。為了產(chǎn)生足夠強的輸出信號，音叉必須劇烈振動，最好用高Q結構來完成這個任務。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械阻尼，因為高Q結構可能相當脆弱。
由于陀螺儀必須牢固地連接到汽車上才能準確
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。
慣性傳感器是一種傳感器，主要是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度(DoF)運動，是解決導航、定向和運動載體控制的重要部件。
中文名
慣性傳感器
外文名
inertial sensor
用 處
檢測和測量加速度、傾斜
本 質(zhì)
傳感器
構 成
加速度計，角速度傳感器
目錄
1
構成
2
分類
3
作用原理
4
應用
5
技術導航
6
相關介紹
慣性傳感器構成
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慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。MEMS加速度計是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量的傳感器，通常由標準質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測電路組成。IMU主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺和解算電路組成。
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慣性傳感器分類
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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。角速率陀螺又分為：機械式干式﹑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。線加速度計又分為：機械式線加速度計；撓性線加速度計；MEMS硅﹑石英線加速度計（含壓阻﹑壓電線加速度計）；石英撓性線加速度計等。
慣性傳感器作用原理
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(1)．科里奧利(Coriolis)原理：也稱科氏效應（科氏力正比于輸入角速率）。該原理適用于機械式干式﹑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法國物理學家（1792年～1843年）。(2)．薩格納（Sagnac）原理：也稱薩氏效應（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法國物理學家（1869年～1926年），居里夫婦的朋友。1913年發(fā)明薩氏效應。
慣性傳感器應用
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低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產(chǎn)品主要用在手機、GPS導航、游戲機、數(shù)碼相機、音樂播放器、無線鼠標、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統(tǒng)。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉(zhuǎn)動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現(xiàn)。中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等。高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產(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)星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應用；飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GP戰(zhàn)場機器人等。
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慣性傳感器技術導航
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固態(tài)慣性傳感器有著潛在的成本、尺寸、重量等優(yōu)勢，其在系統(tǒng)中的應用也必然激增。隨著器件成本的降低、小尺寸傳感器的出現(xiàn)，軍事應用也出現(xiàn)了許多新的應用領域。慣性導航系統(tǒng)是隨著慣性傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來的一門導航技術,它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實時性強等優(yōu)點使其在軍用航行載體和民用相關領域獲得了廣泛應用。慣導系統(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慣導系統(tǒng)位置誤差增長的影響是時間的三次方函數(shù),而高精度的陀螺儀制造困難,成本很高,因此慣性技術界一直在尋求各種有效方法來提高陀螺儀的精度,同時降低系統(tǒng)成本。微型機械式慣導傳感器將統(tǒng)治戰(zhàn)術性能要求（或以下）的應用領域。軍用市場將推動這些傳感器的發(fā)展，如適用靈巧飛行器、自主導航導彈、短程戰(zhàn)術導彈導航、火力控制系統(tǒng)、雷達天線的運動補償、復合智能小型推進器和晶片大小的INS/GPS系統(tǒng)。洲際彈道導彈系統(tǒng)和潛射彈道導彈系統(tǒng)戰(zhàn)略制導系統(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。導航系統(tǒng)為提高導航精度，將繼續(xù)采用穩(wěn)定平臺式機械陀螺儀和加速度計（擺式陀螺加速度計）。從20世紀50年代的液浮陀螺儀到70年代的動力調(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年代的振動陀螺儀以及研究報道較多的微機械電子系統(tǒng)陀螺儀相繼出現(xiàn),從而推動了慣性傳感器不斷向前發(fā)展。因此對慣性傳感器的研究一直是各國慣性技術領域的重點,各種新材料、新技術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),慣性導航系統(tǒng)將成為通用、低價的導航系統(tǒng)。
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慣性傳感器相關介紹
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最近的傳感器技術發(fā)展使得機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設計實現(xiàn)了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設備和工業(yè)車輛導航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，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)應用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，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)的時序和功耗預算內(nèi)做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設計規(guī)范。了解問題來自慣性傳感器的信息經(jīng)過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的復雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的范例中，機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)的完整運動動力學特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預期。如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術決策取決于響應時間、沖擊和震動、尺寸、整個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動（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結合在一起。一旦知道正確的傳感器類型和技術后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境（溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨特的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅(qū)使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。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)使眾多應用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計）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到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現(xiàn)。根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅(qū)動到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運動，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個外部極限處（與擾動運動正交）是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調(diào)級，產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個專有數(shù)字校準電路。傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。
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調(diào)理和處理在工業(yè)市場上，諸如震動分析、平臺校正、一般運動控制之類的應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元件是直接嵌入到現(xiàn)有設備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用范例包括：● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動相關聯(lián)，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。● 工業(yè)機械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機械內(nèi)部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實用的價值?！?移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機）和定向?qū)Ш剑ɡ肎PS和其他傳感器進行航位推算）。工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、震動及其他不符常規(guī)的行為和影響。傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設計工程師主要關心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規(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)定性也可能毫無意義。例如，假設線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅(qū)動補償過程。為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環(huán)境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。面向具體應用的解決方案將適當?shù)膫鞲衅髋c必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標準系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實施和生產(chǎn)障礙。加速度、震動分析在一些應用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如，通過震動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當多的處理過程才能實現(xiàn)所需的輸出。圍繞慣性傳感器而構建的一個高集成度器件示例是ADIS，它是一款完全自治的頻域震動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出，而是提供特定應用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各震動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應。能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設想到的領域都具有應用價值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，并利用該信息提高性能（響應時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動。這些特性或性能升級往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實施，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疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設計人員不是運動動力學方面的專家，因此，在決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關鍵的因素。
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慣性傳感器（IMU）
近兩年來，車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、無人駕駛、汽車智能化等成為汽車行業(yè)的熱門話題，未來汽車將向安全、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越廣泛的慣性傳感器。一、慣性傳感器簡介（IMU）慣性測量單元IMUInertialMeasurementU...
2020-10-260
科技廠長
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未來身負重擔
什么是慣性傳感器？加速度傳感器不僅可以向用戶竊聽此類聲音，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（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慣性傳感器的機器人姿態(tài)檢測系統(tǒng)的研究[J]. 傳感技術學報, 2007, 20(2):298-301.
4.
李仁, 曾慶雙, 陳希軍. 一種低成本MEMS慣性傳感器應用技術研究[J]. 傳感技術學報, 2009, 22(11):1670-1674.
慣性傳感器應用：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推出的全球第一個啟動汽車安全氣囊的加速計
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。車載慣性傳感器雖然體型微小，卻大大提升了高級駕駛員輔助系統(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
屬于被動安全防護功能的車輛翻覆感測可檢測汽車是否正在翻覆并及時啟動安全氣囊裝置。在車輛翻覆時，慣性傳感器可為碰撞偵測運算提供滾動速率、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才是個大挑戰(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屬于主動汽車安全防護功能，透過控制和啟動汽車剎車來防止車輛打滑。
為因應所面臨的挑戰(zhàn)，必須謹慎地設計出結合MEMS設計的專業(yè)知識以及對汽車系統(tǒng)的理解及要求的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品必需根據(jù)規(guī)格進行設計，樣品必須先在實驗室進行測試，并與書面規(guī)劃的內(nèi)容一致。最后，傳感器必須經(jīng)過更多的實際駕駛測試，例如在冬季或碎石路上的行駛。
2、慣性導航
城市峽谷駕駛導航已經(jīng)內(nèi)建在導航系統(tǒng)的儀表板內(nèi)，這些技術可降低在陌生城市中自動導航的壓力。藉由地圖，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的訊號、擇路運算以及慣性導航系統(tǒng)甚至可透過車聯(lián)網(wǎng)服務，提供交通堵塞時的即時消息。
汽車工程師喜歡在導航系統(tǒng)中加入慣性傳感器，因為這些系統(tǒng)無論在「城市峽谷」，或是在GNSS訊號差、無效或根本就沒有訊號的地方仍可繼續(xù)運作。在這種情況下，慣性傳感器可在失去訊號前最后一次GNSS的讀數(shù)之后確定位置的變化。假使駕駛在隧道內(nèi)無法接收到GPS訊號，慣性傳感器就會以公尺數(shù)推算車輛的方向。推測導航運算再進行位置變化的計算，就可根據(jù)慣性傳感器的訊號推斷你當前所在的位置。
3、駕駛輔助
在各式駕駛輔助技術中，不僅只是巡航控制或后視攝影機。主動車距控制巡航系統(tǒng)、車道保持和變換輔助系統(tǒng)、先進緊急剎車系統(tǒng)及主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都屬于駕駛輔助技術的一部分。并是透過將MEMS慣性傳感器以及攝影機、雷達和/或光學雷達(LIDAR)等感知系統(tǒng)的智能結合來實現(xiàn)。
主動車距控制巡航系統(tǒng)(ACC)比大家所熟悉的巡航控制功能更需具體經(jīng)驗。雖然傳統(tǒng)的巡航控制技術可以節(jié)省油耗，且在長途駕駛可更輕松，但還是得依據(jù)附近車輛的速度不時地切換巡航控制開關。這樣的困擾駕駛?cè)藨摱冀?jīng)歷過吧？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。
ACC主要是利用雷達、攝影機或雷射來測量與物體間的距離。能夠強化ESC的同類慣性傳感器，也能應用在ACC上。慣性傳感器有助于預測路徑，然后將該路徑連接到障礙物偵測上。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確定傾斜度，使正在上坡的車輛不會往后滑動。
主動轉(zhuǎn)向則是另一項駕駛輔助技術，在較高的速度下可減少車輪每次轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)向角度的變化量。此功能可提高公路駕駛的準確性，偏航率傳感器可提供突發(fā)狀況的相關訊息。
相同地，慣性傳感器也是利用攝影機、雷達和雷射來達到輔助駕駛。偵測技術則可藉由預測汽車的移動來達成自動駕駛。
4、慣性傳感器和感知傳感器的融合
那視覺和感知系統(tǒng)又是如何從慣性傳感器中獲益的呢？視覺或是感知傳感器能夠察覺到正在運動的物體，正確判斷出運動物體的結構，同時估測車輛的移動情況以及和周邊運動物體之間的距離。
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。慣性傳感器不會依賴于周圍環(huán)境的亮度，因為它們測量的是物理性運動，而且并不是從圖像中計算數(shù)據(jù)。此外，慣性傳感器要來得更為可靠，因為它們不需要與車身以外的設備有任何的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交流。近期有一項研究就分別討論了動覺慣性傳感器和視覺感知系統(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)和慣性傳感器會各自獨立地定位車輛，隨后相互比對信息，修正結果。緊耦合則是另一種結果，此時對物體直接的（像素級別）視覺測量會與慣性測量裝置的讀數(shù)相互結合。
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，從而得到更精準的定位。
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