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三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它

2016-12-20 [责任编辑:wenwei]
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5分
【导读】九轴传感器、九轴体感追踪、感测芯片……越来越多的VR在都在宣传“九轴传感器”的概念,这似乎成了VR硬件的新标。所谓九轴传感器,其实三种传感器的组合:3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘(地磁传感器)。三个部分作用不同,相互配合,是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件,应用于各类软件、游戏中的交互控制。
 
三种传感器

①加速传感器
 
加速传感器是测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性,传感器在运动的时候,“重力块”会对X、Y、Z方向(前后左右上下)产生压力,再利用一种压电晶体,把这种压力转换成电信号,随着运动的变化,各方向压力不同,电信号也在变化,从而判断手机的加速方向和速度大小。比如你突然把手机往前推,传感器就知道你是在向前加速了。
 
加速传感器厂家:精量电子(TE Sensors)、Colibrys、 苏州明皜(MiraMEMS) Kionix(被Rohm收购)、河北美泰(MT Microsystems)、上海矽睿(QST)、Silicon Designs、 矽创电子(Sitronix) 、MCUBE(砂立)等。
 
②陀螺仪
 
陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的设备,在飞行游戏,体育类游戏和第一视角类射击等游戏中,可以完整监测游戏者手的位移,从而实现各种游戏操作效果。下图是一个最基础的机械陀螺仪模型,中间金色的转子在整个仪器的运动中,它因为惯性作用不受影响,而周边三个“钢圈”则会因为设备改变姿态而改变,通过这样来检测设备当前的旋转状态。
 
其实,在我们的手机等电子产品中的陀螺仪并不长这个样子。它和加速传感器一样也是一个微电子元件,利用科里奥利力,通过连续震动的振子在旋转系统中的运动偏移,改变电路状态,引起相关电参数的变化,从而可以反映出左右倾斜、前后倾斜和左右摇摆等运动情况。
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
 
什么是科里奥利力?假设在一个逆时针转动的圆盘中央O点有个运动员(O点不动),要把篮球传给站在边缘A点的另一个运动员,当他沿OA直线方向投球后,A点的运动员会发现篮球向右偏转,最终落在A''点。以转动的圆盘为参照系,篮球仿佛受到一股向右的力,从而发生偏移,这个力就称为科里奥利力。
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
 
陀螺仪厂家:意法半导体(ST)、应美盛(InvenSense)、罗伯特.博世、亚德诺半导体(Analog Devices)、松下(Panasonic)、村田制作所(Murata)、精量电子(TE Sensors)、索尼(Sony)、Epson 、深迪半导体(Senodia)、水木智芯(TuMEMS)、Colibrys 、苏州明皜(MiraMEMS)、河北美泰(MT Microsystems)、上海矽睿(QST)、Silicon Designs 、MCUBE(砂立)、耐威科技(代工)等。
 
③电子罗盘(地磁传感器、地磁计)
 
利用加速传感器和陀螺仪,基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动,也会产生累计偏差,不能准确描述运动姿态,比如操控画面发生倾斜。电子罗盘(地磁传感器)利用测量地球磁场,通过绝对指向功能进行修正补偿,可以有效解决累计偏差,从而修正人体的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。
 
地磁传感器厂家:AKM、朗格(Allegro MicroSystems)、微开(Micronas Semiconductor)、迈来芯(Melexis)、江苏多维科技(dowaytech)、爱知制钢(AichiSteel)、Amotech 、、苏州明皜、华工科技(代工)等。
 
三轴传感器

①三轴陀螺仪
 
三轴陀螺仪:同时测定6个方向的位置,移动轨迹,加速。 单轴的只能测量两个方向的量,也就是一个系统需要三个陀螺仪,而3轴的一个就能替代三个单轴的。
 
优点:三轴陀螺仪体积小、重量轻、结构简单、可靠性好、更灵敏、更准确。
 
②三轴加速度计
 
三轴加速度计是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的,因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。
 
优点:三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质。
 
③三轴地磁计
 
三轴地磁计,又称电子罗盘,在无人机、智能手表、导航设备中广泛普及和应用。针对需要侦测物体运动变化情况,三轴磁传感器承载着至关重要的绝对指向作用,为稳定飞行、辅助导航等多样化功能保驾护航。也正如此,三轴磁传感器的可靠性是这些装置稳定运作的基石。
 
六轴传感器
 
六轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计。
 
六轴传感器厂家:
 
  • 应美盛:ICM-20608、MPU-6555、MPU-6500、MPU-6000、MPU-6050......HTC Vive VR和Oculus Rift VR上就采用了MPU-6500
  • ST:6轴传感器模块LSM330DL......
  • 飞兆:6轴惯性检测单元(IMU)“FIS1100”。FIS1100由3轴MEMS角速度传感器(陀螺仪)、3轴MEMS加速度传感器及动作处理用协处理器“AttitudeEngine”构成。
 
九轴传感器
 
九轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计,也有六轴加速度传感器+三轴陀螺仪的,也有六轴陀螺仪+三轴加速度计的。
 
所谓九轴传感器,其实三种传感器的组合:3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘(地磁传感器)。三个部分作用不同,相互配合,是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件,应用于各类软件、游戏中的交互控制。
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
 
九轴传感器作为集成化传感器模块,减少了电路板和整体空间,更适合用在轻巧便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器的数据准确度除了器件本身的精度外,还涉及到焊接装配后的矫正,以及针对不同应用的配套算法。合适的算法可以将来自多种传感器的数据融合,弥补了单个传感器在计算准确的位置和方向时的不足,从而实现高精度的运动检测。
 
九轴传感器厂家有:

应美盛:MPU-9255、MPU-9250、MPU-9150......
 
MPU-9250(三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计)
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
InvenSense的MPU-9250九轴组合传感器内部的陀螺仪+加速度传感器
 
Inven Sense最新的九轴组合传感器集成了新款三轴陀螺仪,采用单一种振动结构,取代前一代传感器采用三种不同结构的方法。这种新设计让三轴陀螺仪功能区域尺寸缩减了40%。该元件也集成了新的三轴磁传感器,其功能面积亦较前一代缩减了40%左右。
 
博世:BMX160、BMX055......
 
BMX160(三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计)
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
 
博世9轴动作传感器“BMX160”。这是将3加速度传感器、3轴角速度传感器及3轴地磁传感器集成于1个封装内的9轴传感器,尺寸为2.5mm×3.0mm×0.95mm,采用14针LGA封装。适于可穿戴终端及智能手机的VR(虚拟现实)应用等安装面积及耗电量存在限制的用途。
 
BMX055(三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计)
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
Bosch Sensortec的BMX055九轴组合传感器内部的三轴磁传感器
 
意法半导体:LSM9DS0(六轴陀螺仪+三轴加速度计)......
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
ST的LSM9DS0九轴组合传感器内部的加速度传感器+陀螺仪
 
ST的组合传感器在一颗MEMS单芯片上结合六轴陀螺仪+加速度传感器,使得此六轴功能的尺寸比先前采用两颗裸晶的方案缩小了30%以上。该款传感器采用玻璃熔融键合;但ST也会采用金-金热压键合来密封部分MEMS裸芯片,以免除密封框的采用并缩小芯片面积。
 
应美盛、博世、ST这三家MEMS传感器供应商拥有非常不同的供应链。Bosch与ST主要是靠自家晶圆厂生产,Bosch仅有生产ASIC元件时会委托代工厂,而ST则向Honeywell采购磁传感器芯片。至于InvenSense则是一家无晶圆厂公司,委托多个不同代工伙伴制造、封装组合传感器。
 
AKM是Inven Sense的磁传感器晶片供应商,而有多个晶圆代工厂为Inven Sense生产六轴加速度传感器+陀螺仪传感器与ASIC,而元件的封装测试则是委托其他专业封测厂。Inven Sense只有负责传感器的设计与测试。
 
而尽管基本上所采用的生产模式大不相同,这三家厂商的九轴IMU成本却非常相近;虽然Inven Sense所采用的晶片数量明显比较少,由于其元件生产委托许多不同的代工厂,也会带来一些额外的成本。以下是三款组合传感器的成本结构。
 
九轴传感器模块厂家:
 
飞兆(Fairchild):9轴惯性模块“FMT1000系列”,由FIS1100(前面有介绍)外加3轴磁传感器、控制整体的MCU(意法半导体的基于ARM Cortex-M4的STM32)及晶振元件等组成。可用于机器人及无人机等广泛的工业设备。
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
FMT1000
 
微芯:9轴动作检测模块“MM7150”。MM7150配备博世的三轴加速度传感器和三轴磁传感器的混载IC“BMC 150”、博世的三轴陀螺仪IC“BMG 160”,以及微芯的动作信号处理器IC“SSC7150”。模块尺寸仅17mm×17mm。采用单面封装,可嵌入多种设备中。可用于机器人吸尘器、工业机器人、健康器械(理疗)、遥控器及可穿戴设备等。
 
三六九轴传感器究竟是什么?让无人机、机器人、VR都离不开它
 
 
 
 
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关键字:无人机 机器人 传感器 
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