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慣性傳感器工作原理：MEMS慣性傳感器
? MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是指集機(jī)械元素、微型傳感器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS慣性傳感器可構(gòu)成低成本的INS/ GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng) ,是一類非常適合構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特點(diǎn)使其在眾多的民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
? ? MEMS慣性傳感器的背景狀況
? ? MEMS技術(shù)最早由Richard ?Pfeynman（1965年獲得諾貝爾物理獎），在1959年提出設(shè)想。1962年硅微型壓力傳感器問世。
? ? 1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。
? ? 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，一般由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測電路組成。根據(jù)傳感原理不同，主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。
? ? 1998年，美國CSDL設(shè)計研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實(shí)驗(yàn)室研制了另一種形式的MEMS陀螺。 ? ? MEMS陀螺是利用震動質(zhì)量塊被基座（殼體）帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來傳感角速度的原理制成。
? ? 主要形式有框架驅(qū)動式（內(nèi)、外框架兩種）梳狀驅(qū)動式、電磁驅(qū)動式等。
? ? IMU由于是MEMS技術(shù)組合的微型慣性測量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成。
? ? AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU，并且依據(jù)四元素法進(jìn)行了解算，直接可輸出一個運(yùn)動體的俯仰角、橫滾角和航向角。
? ? 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)、游戲機(jī)、音樂播放器、無線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、PD、硬盤保護(hù)器、智能玩具、計步器、防盜系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航等便攜式。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(fèi)電子應(yīng)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(dǎo)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(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(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GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用、遠(yuǎn)程飛行器船舶儀器、戰(zhàn)場機(jī)器人等。
MEMS慣性傳感器的工作原理
? ? MEMS慣性傳感器是以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ),在單晶硅片上制造出來的微機(jī)電系統(tǒng),包括微機(jī)械加速度計、微機(jī)械陀螺儀和微慣性測量組合(MIMU)。MEMS 慣性傳感器的工作原理是經(jīng)典力學(xué)中的牛頓定律,其功能是測量運(yùn)動物體(如車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、人造衛(wèi)星等)的質(zhì)心運(yùn)動和姿態(tài)運(yùn)動,進(jìn)而可以對運(yùn)動物體實(shí)現(xiàn)控制和導(dǎo)航。MEMS慣性器件與非MEMS慣性器件相比,其體積和價格可減少幾個數(shù)量級,對國防具有重大戰(zhàn)略意義。基于MEMS慣性器件構(gòu)建低成本、高性能的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正在成為當(dāng)前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。
MEMS慣性傳感器的測試
? ? MEMS慣性傳感器的測試跟一般的IC測試之不同在于它需要外界的刺激，因此除了自動化測試設(shè)備（ATE）、ATE界面板（DIB）和器件巢板（DUT board）等常見的配置外，還需要一個極其重要的設(shè)備——產(chǎn)生和傳遞刺激（stimulus）的設(shè)備。這個設(shè)備是用戶化了的，不同的傳感器特別是不同類型的傳感器所使用的不同、甚至完全不同。因此這樣的設(shè)備往往不是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的，客戶在設(shè)計新的慣性傳感器的同時必須跟設(shè)備制造商一起開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備。這個開發(fā)的成本是非常昂貴的，以百萬美元計。哪怕是改一下傳感器封裝外形，測試面或腔必須重新設(shè)計，一般需20萬美元、8到12周。如果沒有代理測試的工廠，小公司即使能設(shè)計生產(chǎn)慣性傳感器，也很難大批量銷售。
? ? 另外，測試時間是影響產(chǎn)品成本的一個重要因素，尤其是慣性傳感器，因?yàn)闄C(jī)械的刺激往往比一般的電路測量慢得多。而且，機(jī)械刺激在觸發(fā)后必須等待足夠的時間才穩(wěn)定，還必須在關(guān)掉后等待足夠的時間才完全消失。為縮短測試時間，除了改進(jìn)設(shè)備的力學(xué)設(shè)計外，提高測試并行度是立竿見影的辦法。
MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
? ? MEMS微慣性傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車、慣性導(dǎo)航、消費(fèi)品電子、IT附件。下圖所示的是汽車中的MEMS應(yīng)用，可以看到加速度計和陀螺儀占有很大的比例。目前由于微陀螺儀的價格較高，其應(yīng)用的潛力還沒有完全開發(fā)，但如果技術(shù)上出現(xiàn)突破大大降低陀螺儀的生產(chǎn)成本，那么在導(dǎo)航系統(tǒng)中將會有很大的市場潛力。
? ? 未來的微慣性器件主要的發(fā)展方向是在在滿足民用需求的精度和穩(wěn)定度的前提下，盡量小型化和降低價格。尤其是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價格，集成的IMU(inertia measurement unit,包含3個陀螺儀，3個加速度計)才能夠在汽車導(dǎo)航，娛樂性電子的中的虛擬現(xiàn)實(shí)（運(yùn)動感受）中得到廣泛的應(yīng)用。
MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨向
? ? MEMS慣性傳感器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：
? ? 1、技術(shù)方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢。對消費(fèi)類應(yīng)用，更尋求進(jìn)一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢。同時，集成化也是未來發(fā)展的趨勢，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術(shù)路線。因而不斷有雙軸、三軸加計、陀螺芯片問世。
? ? 2、競爭力方面：消費(fèi)類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進(jìn)，比投資、比規(guī)模將是必然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會上演。
? ? 3、合作方面：由于產(chǎn)品細(xì)分的緣故全球競爭與合作必然結(jié)果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應(yīng)商，因而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可能出現(xiàn)。
? ? 4、應(yīng)用方面：無疑無論是消費(fèi)類應(yīng)用，工業(yè)級軍工級應(yīng)用，市場會急驟擴(kuò)大，應(yīng)用會越來越廣泛。
? ? 注意：目前的智能手機(jī)（包括Android和Iphone）里面都集成有MEMS慣性傳感器，所以就可以開發(fā)各種各樣好玩的游戲和項(xiàng)目！
慣性傳感器工作原理：一文讀懂汽車MEMS慣性傳感器的七大應(yīng)用（上）
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，在過去的十年中，汽車中已經(jīng)使用了數(shù)億個MEMS傳感器。
MEMS慣性傳感器
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(yīng)用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS傳感器來實(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，但未來注定會成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(yīng)用。在這種應(yīng)用中，加速度計連續(xù)測量汽車的加速度，當(dāng)該參數(shù)超過預(yù)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(dāng)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(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)沒有提供有關(guān)所感測到的加速度性質(zhì)的大量信息，它們只是提供開/關(guān)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(guān)（通常是3到7個）來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(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(shè)備替換g開關(guān)。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(jìn)行維修。
MEMS加速度計通常控制側(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(shí)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(jié)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(yán)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(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(yù)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(yù)測偏航（或轉(zhuǎn)向）速度與陀螺儀測得的速度進(jìn)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(fù)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(shí)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(shí)上，用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和應(yīng)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(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(yīng)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(qiáng)的輸出信號，音叉必須劇烈振動，最好用高Q結(jié)構(gòu)來完成這個任務(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)確地測量偏航率，因此陀螺儀經(jīng)常會遭受沖擊和振動。這種機(jī)械噪聲可以將信號引入科里奧利傳感器加速度計，該信號比音叉產(chǎn)生的科里奧利信號高幾個數(shù)量級。將信號與噪聲分開并不容易，通常，沖擊或振動會使電路飽和，并使陀螺儀的輸出在短時間內(nèi)不可靠（這解釋了為什么VDC警告燈偶爾會無故亮起的原因）。
傳統(tǒng)的MEMS陀螺儀通常體積龐大（100cm3或更大的情況并不少見）。這部分是由于添加了機(jī)械式防振架的緣故，該防振架的安裝可將對外部振動的敏感性降至最低。
不過，新型MEMS器件避免了這些缺點(diǎn)。例如，ADI公司的iMEMS陀螺儀為7x7x3mm（0.15 cm3），它不是使用石英，而是使用了共振多晶硅梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了向角速度顯示時產(chǎn)生科里奧利力的速度元素。在與共振運(yùn)動正交的多晶硅梁的外邊緣，電容式加速度計測量科里奧利力。陀螺儀具有兩組反相的光束，彼此相鄰放置，并且它們的輸出被差分讀取，從而減弱了外部振動靈敏度。
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慣性傳感器工作原理：什么是慣性傳感器它是如何工作的
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811次閱讀傳統(tǒng)式和非傳統(tǒng)式陀螺儀的發(fā)展趨勢國外的相關(guān)研究起步較早，積累的經(jīng)驗(yàn)比較豐富，已經(jīng)形成了系列技術(shù)成熟的工業(yè)產(chǎn)品。目前國外最先進(jìn)的擺式陀....發(fā)表于 2019-11-30 10:14?
1666次閱讀線加速度計的工作原理解析加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球....發(fā)表于 2019-11-27 15:34?
507次閱讀如何同時使用陀螺儀和加速度計測量角度要測試系統(tǒng)，我使用一個名為Termite的程序保存了數(shù)據(jù)，然后將其導(dǎo)入excel并繪制圖形以查看過濾....發(fā)表于 2019-11-22 15:21?
1472次閱讀怎樣使OLED和加速度計交互每次我們在屏幕上移動球時，都需要跟蹤x和y軸的變化。如前所述，這是通過在每次球的原點(diǎn)發(fā)生變化時將....發(fā)表于 2019-11-19 10:54?
738次閱讀地磁傳感器有什么用_地磁傳感器與陀螺儀區(qū)別本文主要闡述了地磁傳感器的作用，另外還闡述了地磁傳感器與陀螺儀區(qū)別。發(fā)表于 2019-11-18 10:58?
1395次閱讀Xbox360控制器陀螺儀轉(zhuǎn)向模塊的制作將控制器拆回的方式與您拆開控制器的方式相同（減去左側(cè)）模擬棒。現(xiàn)在應(yīng)該可以工作了。我發(fā)現(xiàn)沒有明顯的延....發(fā)表于 2019-11-15 11:52?
1424次閱讀如何將ADLX345加速度計IC連接到labVI...該項(xiàng)目是使用chipKIT Max32和PmodACL設(shè)計的。但是，您可以替換以下內(nèi)容。發(fā)表于 2019-11-15 10:33?
1103次閱讀選擇正確的加速度計，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)發(fā)表于 2019-11-14 13:53?
1198次閱讀選擇正確的加速度計，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)傳統(tǒng)維護(hù)一般是預(yù)防性或糾正性維護(hù)，通常會占用很大一部分生產(chǎn)成本。現(xiàn)在，使用IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）監(jiān)測....發(fā)表于 2019-11-13 15:37?
250次閱讀怎樣用樹莓派和3軸加速度計LIS3DHTR檢查3...相信這項(xiàng)工作會刺激進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。 該I2C傳感器具有出色的適應(yīng)性，適度且可用。由于這是一個非常棒的非....發(fā)表于 2019-11-11 17:32?
1140次閱讀如何將加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)融合在一起在研究了陀螺儀和加速度計的特性之后，我們知道它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)加速度計數(shù)據(jù)計算出的傾斜角具有較慢的....發(fā)表于 2019-11-11 17:19?
2060次閱讀航向陀螺儀有什么功能？航向陀螺儀主要有陀螺電機(jī)、萬向支架、隨動托架系統(tǒng)、水平修正裝置、信號輸出裝置、輸電裝置、減震裝置、電連接器、外...發(fā)表于 2019-11-11 09:02?
739次閱讀請問用加速度計積分得到位移，能測量厘米級別（精度不要求太高）的位移測量嗎問題如上，加速度傳感器是否不靠譜？如果是的話那應(yīng)該是用那種傳感器？
...發(fā)表于 2019-11-05 15:49?
285次閱讀請問飛行器中各種陀螺儀該怎么使用？求大神舉例介紹一下各類陀螺儀的使用，或者用單片機(jī)怎么寫程序控制控制（最好有電路圖）...發(fā)表于 2019-11-04 01:43?
243次閱讀慣性傳感器對車輛穩(wěn)定系統(tǒng)有什么影響？汽車走進(jìn)千家萬戶，安全愈加顯的重要。駕乘人員的安全和所用車輛的電子系統(tǒng)是否先進(jìn)密切相關(guān)。安全氣囊ABS（AnTI...發(fā)表于 2019-10-31 07:34?
128次閱讀高性能MEMS傳感器的發(fā)展趨勢是什么？微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)運(yùn)動IC在走向更高的集成度、更小的芯片尺寸、更低的成本以及更高的性能和可靠性。這些趨勢在最...發(fā)表于 2019-10-29 07:52?
275次閱讀激光陀螺儀有什么特點(diǎn)？激光陀螺儀的光環(huán)路實(shí)際上是一種光學(xué)振蕩器，按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺，腔體結(jié)構(gòu)有組件式和整體式兩種，...發(fā)表于 2019-10-23 09:00?
286次閱讀傾斜角傳感器的測量原理是什么？由加速度傳感器測量傾斜角的途徑很多，文獻(xiàn)中提出了一種基于兩軸加速度傳感器ADXL213的傾角測量裝置，實(shí)現(xiàn)了全擺幅...發(fā)表于 2019-10-23 06:24?
418次閱讀伺服概念是如何應(yīng)用于制造極高精度壓力傳感器的伺服加速度計如下所示，懸掛在鉸鏈上的是一個下垂的高磁導(dǎo)率質(zhì)量。“向下”或“零位置”由零檢測器檢測，平....發(fā)表于 2019-10-16 15:04?
311次閱讀我國在激光陀螺技術(shù)上的進(jìn)展如何由于現(xiàn)代武器講究遠(yuǎn)射程大速度，高過載，所以需要高精度的測量設(shè)備，所以全世界都在陀螺儀上下功夫，并開發(fā)....發(fā)表于 2019-10-15 15:16?
415次閱讀基于三重冗余慣性傳感器而設(shè)計的OpenRTK33...OpenRTK330內(nèi)置的多頻段RTK/GNSS接收器，可與冗余慣性傳感器相結(jié)合，在GNSS中斷期間....發(fā)表于 2019-10-11 15:07?
288次閱讀九軸傳感器之陀螺儀發(fā)表于 2019-09-26 18:55?
2437次閱讀伺服壓力傳感器的工作原理解析伺服壓力傳感器一般都很大，通常不適用于動態(tài)壓力測量或物理敵對環(huán)境，但非常適合于在更良性的物理環(huán)境中進(jìn)....發(fā)表于 2019-09-23 15:18?
377次閱讀九軸傳感器之加速度計發(fā)表于 2019-09-20 10:54?
1646次閱讀Xsens全新MTi 600系列工業(yè)級慣性傳感器...全新模塊的優(yōu)秀表現(xiàn)，有賴Xsens 對融合算法引進(jìn)行了大量創(chuàng)新構(gòu)思，從而優(yōu)化新加速度計、陀螺儀和磁力....發(fā)表于 2019-09-18 14:10?
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慣性傳感器工作原理：基于慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)工作原理
基于慣性傳感器的人體動作分析與識別是模式識別的一個新興領(lǐng)域，克服了傳統(tǒng)基于視頻的動作識別的諸多缺點(diǎn)和限制，具有更高的可操作性和實(shí)用性。通過固定在人體特定部位的慣性傳感器采集人體的動作信息，通過無線傳輸模塊傳到PC 機(jī)，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和選擇、動作分類。這些慣性傳感器內(nèi)部包括一個三軸加速度計、一個三軸磁力計、一個三軸陀螺儀，將三者集成在一起作為單個傳感器節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，形成運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，捕獲人體運(yùn)動信息。
人體模型：根據(jù)人的生理結(jié)構(gòu)將肢體看成剛體，每段剛體直接由關(guān)節(jié)相連，從而將人體抽象化為一個連接型剛體系統(tǒng)，本系統(tǒng)模型將人體分為14個環(huán)節(jié)。
關(guān)節(jié)和姿態(tài)角的人體運(yùn)動分析：
要想采集人體運(yùn)動數(shù)據(jù)并對運(yùn)動展開相關(guān)研究，需了解人體結(jié)構(gòu)，人體運(yùn)動系統(tǒng)是由骨骼和附著其上的肌肉組成，其實(shí)質(zhì)是肢體繞關(guān)節(jié)運(yùn)動。人體關(guān)節(jié)在人體運(yùn)動中起著樞紐作用，可分為不動關(guān)節(jié)、動關(guān)節(jié)和半動關(guān)節(jié)，在人體運(yùn)動中所涉及的關(guān)節(jié)是指動關(guān)節(jié)。人體中絕大多數(shù)關(guān)節(jié)是動關(guān)節(jié)，如腕、肘、肩、頸、背、臀、膝和踝關(guān)節(jié)；
傳感器姿態(tài)角是通過傳感器自身坐標(biāo)系和相對于東北天坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角度來表示的：
航向角Yaw：定義為傳感器芯片繞Z 軸轉(zhuǎn)動的角度，在空間上是指芯片縱軸方向在水平面上的投影與地球子午線（即經(jīng)度線）之間的夾角，即載體坐標(biāo)系Y(b)軸在東北天坐標(biāo)系水平面的投影與東北天坐標(biāo)系中的Y(n)的夾角。從地理北極方向?yàn)殚_始順時針轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎秶荹0°-360°]。
俯仰角Pitch：定義為傳感器芯片繞X 軸轉(zhuǎn)動的角度，在空間上是指芯片的縱軸Y(b)
軸與地理水平面之間的夾角，即載體縱軸Y(b)與其在東北天坐標(biāo)系水平面上的投影之間的夾角。芯片抬頭向上為正，向下為負(fù)，范圍[-90°-90°]。
滾轉(zhuǎn)角Roll：定義為傳感器芯片繞Y 軸轉(zhuǎn)動的角度，在空間上是指芯片的橫軸X(b)與水平面之間的夾角，即芯片橫軸X(b)與其在東北天坐標(biāo)系水平面上的投影的夾角。芯片右面抬起為正，左面抬起為負(fù)，定義范圍為[-180°-180°]。
