惯性传感器助力自主式机器应用

惯性传感器可提供关键精度与安全机制

无论是在制造业、农业、物流业、能源业、汽车业还是无人机行业，都可通过各种传感器检测来达到机械自动化，以显着提高资源效率、设备精度和安全性。

目前市面上有各式各样的传感器，可分类为用于感测环境的情境传感器，像是可以感测温度、光学、化学、气体、振动的传感器，以及用于定位的位置传感器，像是惯性、GPS、磁力计、气压计、分布区域传感器等，结合情境传感器与位置传感器，便可以形成完整的运动物联网（Internet of Moving Things, IoMT）应用环境。

在运动物联网应用中，确定位置起着关键性作用，通过指出精确地点或维持精准定位，精密的惯性传感器（或称为惯性测量单元，IMU）将在其中发挥巨大作用。在机动性很重要的应用中，需要确定情境传感器所撷取数据的地理位置，运动物联网能同时融合情境数据和位置数据，将极大地提高数据分析的价值和效益。

本文重点介绍的惯性传感器主要是用于检测和测量物件的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度（DoF）运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。在大多数智能机器中，由于GPS信号可能会被阻挡，导致无法准确的定位与导航，此时惯性传感器便能够起到两个主要作用，一是使设备稳定和瞄准，二是导航和制导，提供像是天线、吊车平台、施工刀片、农具或无人飞行器上的相机等部件维持一个可靠的指向角，并在严苛环境中提供关键精度或安全机制。

在成本与效能上取得平衡的工业惯性传感器

目前市面上的惯性传感器通常会采用微机电（MEMS）结构，不过一些以降低成本为主要目标的MEMS结构，在设计上通常会牺牲性能，例如采用缩小硅片质量和用塑料封装的消费级产品等方式，对MEMS结构的性能带来很大的不利影响。

为了从微机电器件提取精确稳定的信息，必须有很高的信噪比，而信噪比是由硅片面积和厚度决定的，另外还要选择适当的器件封装和系统外壳，使硅片受到的应力最小。若能够在一开始定义传感器时，便牢记最终应用的性能要求，并据此优化硅片、集成、封装、测试和校准方法，便能够使得在复杂环境下也能维持原有性能，并且使成本最低。

近年来，噪声在区分传感器级别上所起的作用有所降低，在实际比较了工业MEMS IMU和消费级IMU，二者均有比较好的噪声性能。然而，消费级器件并未针对振动或对准进行设计或校正，通过芯片设计方法或器件专用校准来改善精准度则需要付出高昂的成本，工业器件则实现了更好的平衡，在不考虑消费级产品耐用性较差的其他潜在误差源的话，二者性能相差至少20倍。

经济高效的惯性测量单元

为了满足客户在高精度惯性传感应用的需求，ADI推出了一款精密的MEMS IMU──ADIS16505，它包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。ADIS16505中的每个惯性传感器均结合了可优化动态性能的信号调节功能。工厂校准可表现每个传感器的灵敏度、偏置、轴向对准、线性加速（陀螺仪偏置）和冲击点（加速度计位置），校准温度范围为−40℃至+85℃。因此，每个传感器都有动态补偿公式，用于在各种条件下提供准确的传感器测量。

ADIS16505提供了一种简化且经济高效的方法，用于将精确的多轴惯性检测技术集成到工业系统中，尤其是在与离散设计所涉及的复杂性和投资进行比较时，更具有更佳的优势。所有必要的运动检测和校准均已在工厂生产过程中完成，大大缩短了系统集成时间。在导航系统中，紧密的正交对准简化了惯性坐标系对准。兼容串行外设接口（SPI）和寄存器结构设有一个简单接口可进行数据通信，用于数据收集和配置控制。

ADIS16505的三轴数字陀螺仪具有支持±125°/sec、±500°/sec、±2000°/sec的动态范围型号，运行偏置稳定性为2.3°/hr（ADIS16505-1），x轴和y轴角度随机游走为0.13°/√hr，1 σ（ADIS16505-1），轴间错位误差为±0.25°，支持的三轴数字加速计的动态范围为±78.4 m/sec²，具有26.5 μm/sec²的运行偏置稳定性（x轴和y轴），支持三轴的角度增量和速度增量输出，并可编程操作和控制，进行自动和手动偏置校正控制，可用于同步数据采集的数据就绪指示器，支持直接、缩放和输出的外部同步模式，内部传感器与闪存可按需自检，采用3.0 V至3.6 V的单电源供电（VDD），具有14,700 m/sec²的机械冲击生存能力，可在−40℃至+105℃的工作温度范围运作。

ADIS16505采用100球的球栅阵列（BGA）封装，尺寸约为15 mm × 15 mm × 5 mm，可应用于导航、稳定和仪器仪表、无人和自动驾驶车辆、智能农业和建筑机械、工厂／工业自动化、机器人、虚拟／增强现实与运动物联网。

分线板与评估套件加速开发流程

为了加速客户的产品开发流程，ADI也推出各种评估套件，包括ADIS16505-x/PCBZ分线板，可提供了一种在每个ADIS16505-xBMLZ IMU模型和嵌入式处理器平台之间，建立原型连接的便捷方法。每个ADIS16505-x/PCBZ分线板也可连接到EVAL-ADIS2评估系统的J1上。

ADIS16505-x/PCBZ分线板的尺寸仅有33.25mm x 30.75mm，具有方便的16针（2x8）、2mm间距的连接器，每个角落上都有直径2.3毫米的安装孔（4个角落），共有三种型号，可对应不同的IMU模型。

另外ADI还推出EVAL-ADIS-FX3评估板，这是iSensor评估产品系列的最新成员，其设计初衷是为了给用户提供易于使用的解决方案，以在实验室和表征环境中捕获可靠的惯性数据。EVAL-ADIS-FX3具有以最大吞吐量捕获惯性传感器数据的功能，同时与外部测试设备连接，并对外部触发信号做出反应。

除了推出这个可重新设计的硬件平台之外，ADI还开发了强大的API，可帮助用户快速构建可捕获可靠传感器数据的自定义应用程序。此外，在API中还囊括了许多有用的功能，使设计人员能够在任何.NET兼容环境中表征传感器的性能。

EVAL-ADIS-FX3评估板可以全采样率对IMU进行实时采样，保证不会丢失数据，且无需外部电源，也可以通过USB端口供电，具有完全开源的API、固件和评估GUI，可提供原理图，API包括用于连接MATLAB、Python、LabView的包装库。该评估板可应用于惯性检测、机器人、自主驾驶、平台稳定性等领域。

结语

惯性传感器可广泛应用在各种定位与导航应用，随着成本降低、精度提高，市场需求也随之水涨船高。ADI提供了经过工厂校准的MEMS IMU，具有高精度、高集成度的特性，并提供完整的开发与评估套件，可加快产品的开发流程，将是相关应用的最佳选择之一。

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