我的童年是很久以前的事了。那時候沒有手持電子產品，沒有視頻游戲，也沒有便攜式設備。與現在不同，那是個玩培樂多、橡皮泥、神奇8號球、飛盤和妙妙圈的年代。我記憶最深刻的是美泰旋轉球。它本質上是一個陀螺儀，盒子里裝有一個旋轉輪，是一種將陀螺介紹給現代兒童的玩具。這個陀螺玩具使用了超級旋轉的高科技軸承，使頂部能夠以非常高的速度旋轉，因此它能長時間保持直立狀態。我耳邊似乎還縈繞著它發出的聲音，我讓它加速，使陀螺高速旋轉起來，然后松手，看它在地板上四處自由旋轉。

這個陀螺是一個改進的陀螺儀。由于角動量守恒，陀螺儀在旋轉時會保持直立（牛頓 (1687)、拉普拉斯 (1799)、?？?(1852)、蘭金 (1858) 等）。由于這種現象，陀螺儀可用于測量或保持方向和角速度。

MEMS

今天的現代電子設計已經采用了這種機械知識并將其制成傳感器。這類傳感器可采用微機電系統 (MEMS) 進行制造。傳感器技術可實現傳感器融合，從而將多個傳感器和軟件解決方案打包成一個整體。因此，它有助于為各種大型行業提供解決方案，適用領域包括信息和通信技術 (ICT)、物聯網(IoT) 及汽車。半導體制造商校準這些集成解決方案，并充分利用嵌入式補償和傳感器處理，以及簡單的可編程接口。

TDK InvenSense目前走在了人性化MEMS傳感器技術的前沿。InvenSense隸屬TDK集團內部Sensor System Business Company旗下。它主要面向消費、工業、汽車和物聯網細分市場，是這些市場運動、音頻和壓力MEMS解決方案的知名領先企業。憑借其強大的MEMS 3/6/7/9軸運動傳感器產品組合以及性能出色的MEMS音頻麥克風和壓力傳感器，TDK繼續突破性能和質量的極限，為眾多行業樹立了新的創新標準。讓我們來看看TDK InvenSense的MEMS慣性測量單元 (IMU) 如何幫助設計工程師對物體的位置了然于胸。

IMU

MEMS技術能夠將精密陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器的多軸組合組裝到一個設備中。采用這些類型傳感器的集成器件通常稱為慣性測量單元 (IMU)。IMU是一種電子器件，用于測量和報告物體的比力、角速，通常也包括物體的運動方向。艾薩克·牛頓 (1642–1726/27) 將慣性描述為第一運動定律（《自然哲學的數學原理》，1687），他是這樣說的：“任何物體都會保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。” MEMS技術即使在高度復雜的應用和不斷變化的情況下也能可靠檢測和處理多自由度 (DoF)。

多自由度

選擇IMU的一項重要標準就是自由度。IMU通常具有2到10個自由度。

“自由”一詞在不同的語境中有不同的含義。在本例中，我們不是在談論個人選擇的自由或政治自由，而是在物理學，特別是力學背景下的自由。在力學中，自由度對應于定義其配置或狀態的平移分量和旋轉。例如，對于空間中的剛體，平移和旋轉都有三個分量，總共產生六個自由度（圖2）。

平移：上/下

平移：左/右

平移：前/后

旋轉：左/右（偏擺）

旋轉：從一側到另一側（滾翻）

旋轉：前/后（俯仰）

圖2：六個自由度。剛體在3D空間中的運動可能性。向前、向后、向左、向右、向上和向下，再加上繞三個軸的旋轉。（圖源：Peter Hermes Furian/Shutterstock.com）

加速度計（測量速度變化 → 獲取位置）和陀螺儀（測量角速度 → 獲取方向）可以結合起來收集信息，使設備能夠計算多達六個自由度。那么，超過六個自由度的想法是如何產生的？ IMU供應商已經發現，如果他們采用進一步的傳感器融合，便可以獲得更優秀的性能。他們增加了一個傳感器，從而改進讀數、減少誤差并獲得更加令人信服的數據來支持內部調整和補償。加入磁力計可提供新的傳感器信息。磁力計感應地球磁場，提供數據，從而獲得航向。當這些信息與加速度計和陀螺儀的傳感器融合時，傳感器制造商表示它們能額外提供三個自由度。從而，九自由度IMU就誕生了。

需要明確一下，這里有點術語上的混淆。從技術上講，物理學定義了六個自由度。然而，IMU設備在傳感器融合方案中的三個獨立軸上使用三個不同的傳感器，為解決方案帶來了九項傳感器輸入。

之前我說過有一些IMU有10個自由度。我只解釋了九個。那么傳感器是如何實現10個自由度的？

很簡單，再加入一個傳感器。在本例中，加入氣壓傳感器將提供更多信息?，F在，結合氣壓傳感器即可實現IMU制造商所說的10個自由度：

-3自由度加速度計

-3自由度陀螺儀

-3自由度磁力計

-1自由度氣壓表（測量壓力）

-10個自由度

結論

與我的眾多兒時玩具不同，現代電子產品需要越來越多的傳感器。傳感器融合結合了多種傳感器和軟件解決方案，可實現信息通信技術、物聯網和汽車新應用。您已經了解了IMU如何將眾多傳感器組合成一個集成的單片設備。就像陀螺一樣，我希望我已經為您揭秘了TDK InvenSense能夠提供理想選擇，讓您在下一個設計中意識到IMU的優點。

審核編輯：郭婷