IMU-惯性感测器简介

慣性感測器簡介ChihWeiYiChih-WeiYiDepartmentofComputerScienceNlChTUNationalChiaoTungUniversity課程內容課程內容什麼是慣性感測元件？什麼是慣性感測元件？慣性感測元件原理慣性感測元件的應用慣性感測元件的應用初解慣性感測元件讀數什麼是慣性感測元件？什麼是慣性感測元件？慣性感測器（InertialMeasurementUnitIMU）是用來慣性感測器（InertialMeasurementUnit,IMU）是用來偵測物體運動的元件加速度計(accelerometerg-sensor)加速度計(accelerometer,gsensor)磁力計(magnetometer,m-sensor,electricalcompass)陀螺儀(gyroscope)陀螺儀(gyroscope)加速度計加速度計介紹介紹原理結構結構種類應用應用加速度計介紹加速度計介紹量測感受到相對於自由落體的加速度量測感受到相對於自由落體的加速度可分為單、多軸加速度計大小方向震動衝擊大小、方向、震動、衝擊微機電(Micro-Electro-MechanicalSystem)技術QualityResponsetimeSensitivityResolutionSamplingrateError加速度計原理加速度計–原理(1/2)相對於自由落體的加速度相對於自由落體的加速度慣性加速度減去當地重力加速度自由落體所感測到的加速度為0自由落體所感測到的加速度為0加速度單位SI制：米/秒2SI制：米/秒2CGS制：GAL一般：一般：g當地重力加速度：校正或從已知的引力模型來近似加速度計原理加速度計–原理(2/2)加速度計結構加速度計–結構加速度計種類加速度計–種類電容式加速度計電容式加速度計壓電式加速度計壓阻式加速度計壓阻式加速度計霍爾效應加速度計磁阻式加速度計磁阻式加速度計熱傳輸加速度計MEMS技術加速度計奈米技術加速度計奈米術加度計AccelerationinHumanTermsDescription“g”levelDescriptionglevelEarth’sgravity1gPassengercarincorner2gPassengercarincorner2gBumpsinroad2gIndycardriverincorner3gIndycardriverincorner3gBobsledriderincorner5gHumanunconsciousness7guaucoscousess7gSpaceshuttle10g加速度計應用加速度計–應用(1/7)工程工程測量汽車加速度評估引擎/傳動系統和剎車系統評估引擎/傳動系統和剎車系統加速度計可用於測量振動對汽車，機械，建築，過程控制系統和安全裝置。控制系統和安全裝置測量地震活動，傾角，機械振動，動態距離生物科學生物科學海洋生物或是陸地生物分辨行為模式分辨行為模式能量消耗的速率加速度計應用加速度計–應用(2/7)機器健康監測機器健康監測監測旋轉設備，如水泵、電風扇、滾輪、壓縮機、冷卻塔卻塔節省金錢，減少停機時間，提高工廠安全汽車製造業、機床應用業、藥品生產業、發電廠、紙汽車製造業機床應用業藥品生產業發電廠紙漿和造紙業、食品和飲料生產、水和廢水處理、水電、石化和鋼鐵生產、船運加速度計應用加速度計–應用(3/7)建築物及結構監測建築物及結構監測人類活動：散步、跑步、跳舞或跳繩加工機床：在建築物內或周邊地區建築工程：打樁、爆破、鑽探和發掘建築工程：打樁、爆破、鑽探和發掘橋樑的動態負載汽車碰撞衝擊負載脫落碎片衝擊負載：脫落碎片震盪負載：內部和外部爆炸結構單元的倒塌結構單元的倒塌風力負載空氣爆破壓力地基毀壞地基毀壞地震加速度計應用加速度計–應用(4/7)醫療醫療測量心肺復甦術的深度Nike、Polar等公司開發運動手錶NikePolar等公司開發運動手錶在比利時，由政府推動利用加速度為基礎的計步器來鼓勵市民步行每天幾千步鼓勵市民步行每天幾千步體能訓練加速度計應用加速度計–應用(5/7)導航導航慣性導航系統：通過不斷計算移動物體的位置、方向和速度，來提供導航和速度來提供導航加速度計應用加速度計–應用(6/7)運輸運輸安全氣囊電子穩定控制系統，使用橫向加速度測量轉彎力量電子穩定控制系統，使用橫向加速度測量轉彎力量監測噪音、振動和舒適性搖擺式列車搖擺式列車加速度計應用加速度計–應用(7/7)消費電子消費電子個人電子設備：智能手機、PDASonyPlayStation3SonyPlayStation3任天堂Wii遊戲機控制器、雙節棍筆記型電腦的硬碟筆記型電腦的硬碟自動調整屏幕的方向運動的應用運動的應用數位相機/攝影機的防震功能控制音樂播放器，例如更改到下一首歌曲控制音樂播放器例如更改到下首歌曲磁力計磁力計介紹介紹種類應用應用磁力計介紹磁力計介紹電子羅盤電子羅盤用來量測該設備附近的磁場大小與方向每個地方的磁力各不相同每個地方的磁力各不相同不同性質的岩石、帶電粒子與太陽的相互作用、行星的磁氣圈的磁氣圈在太空船中常用來探測行星磁力單位磁力單位地球磁場地球磁場物理學領域尚未解決的重大難題之一物理學領域尚未解決的重大難題之美國科學家加里‧格拉茨邁爾和保羅‧羅伯特地球的固態鐵鎳內核是一塊快速旋轉的磁鐵地球的固態鐵鎳內核是一塊快速旋轉的磁鐵外核是等離子態的液體鐵鎳由于熱源由內向外的傳遞，造成等離子體漩渦，複雜由于熱源由內向外的傳遞，造成等離子體漩渦，複雜的運動產生電流，從而形成磁力線和磁場。柱狀磁軸沿地球自轉軸的南北方向形成南北磁極沿地球自轉軸的南北方向形成南北磁極磁力計種類磁力計–種類(1/2)可分為兩種基本類型可分為兩種基本類型純量磁力計：測量磁場的總強度向量磁力計：可測量磁場在一個特定的方向的分量向量磁力計：可測量磁場在個特定的方向的分量磁力計種類磁力計–種類(2/2)旋轉線圈磁力計旋轉線圈磁力計霍爾效應磁力計質子磁力計質子磁力計梯度儀磁通門磁力計磁通門磁力計銫蒸汽磁力計自旋交換無鬆弛原子磁力計超導量子干涉磁力計導干涉磁計磁力計應用磁力計–應用(1/6)地球物理學地球物理學探測鐵的含量沉船沉船其他埋葬或水中物體偵測潛艇偵測潛艇磁力計應用磁力計–應用(2/6)考古學考古學考古遺址磁力計應用磁力計–應用(3/6)•探勘石油與天然氣探勘石油與天然氣磁力計應用磁力計–應用(4/6)•量測太陽風對地球的磁場的影響量測太陽風對地球的磁場的影響SolarStorms--the1989Blackout磁力計應用磁力計–應用(5/6)動物行為學動物行為學磁力計應用磁力計–應用(6/6)太空探險太空探險陀螺儀陀螺儀介紹介紹特性原理原理應用陀螺儀介紹陀螺儀–介紹測量角速度的設備測量角速度的設備是一種用來感測與維持方向的裝置角動量不滅理論角動量不滅理論主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成單位單位：degree/second陀螺儀特性陀螺儀–特性導航（航空、航海）的應用導航（航空航海）的應用沒有磁力計或磁力計不夠精確由於更高的精密陀螺儀也被用來在隧道采礦過程由於更高的精密，陀螺儀也被用來在隧道采礦過程中保持方向陀螺儀原理陀螺儀–原理陀螺儀應用陀螺儀–應用(1/5)在航空上的應用在航空上的應用陀螺儀裝在儀表板上的，稱為指示陀螺儀，常用的有：有：水平陀螺指示儀方向陀螺指示儀方向陀螺指示儀轉彎傾斜指示儀陀螺儀應用陀螺儀–應用(2/5)陀螺儀不直接提供指示，而安裝在機腹的電子艙中陀螺儀不直接提供指示，而安裝在機腹的電子艙中（electroniccompartment），稱信號陀螺儀，只提供信號資料給有關儀錶或系統。常用的有：信號資料給有關儀錶或系統常用的有垂直陀螺儀方向陀螺儀方向陀螺儀速率陀螺儀陀螺儀應用陀螺儀–應用(3/5)隧道中心線測量隧道中心線測量在隧道等挖掘工程中，需測量坑內的中心線，並確保測量的精度測量的精度特別是在密集的城市地區，不可能進行過多的檢測作業陀螺儀應用陀螺儀–應用(4/5)正北測定正北測定迷路建築建築陀螺儀應用陀螺儀–應用(5/5)軍事軍事飛彈鎖定戰鬥機SparkfunWiTiltv3(1/3)AFreescaleMMA7260Qtriple-axisaccelerometerAFreescaleMMA7260Qtriple-axisaccelerometerAMelexisMLX90601E2150degree/secondgyroscopeAl1BltthlikAclass1BluetoothlinkSparkfunWiTiltv3(2/3)FeaturesFeaturesSelectablechannelsforsampling(X,Y,Zandrotation)Adjustableaccelerometerrangeandcalibration(1.5g,2g,4g,6g)Raw,binaryandcalculatedoutputmodesAdjustablereportthresholdforaccelerometer,gyroscopeandbatteryvoltagevoltageAdjustableoutputfrequency50Hzmaxindegreemoded135Hzmaxingravitymode220HzmaxinrawADCmode610HzmaxinbinarymodeResolution16bitinbinarymodeSparkfunWiTiltv3(3/3)StatictestStatictestMicroStrain3DM-GX1(1/3)ThreeangularrategyrosThreeangularrategyrosThreeorthogonalDCaccelerometersThthlttThreeorthogonalmagnetometersMultiplexer16bitA/DconverterEmbeddedmicrocontrollerMicroStrain3DM-GX1(2/3)FeaturesFeaturesOn-boardprocessing/filteringofaccelerometer,gyroandmagnetometeroutputgpFullycompensatedoverwidetemperaturerangeCalibratedforsensormisalignmentandgyroG-sensitivityggyyOutputsEulerangles,quaternion,orientationmatrix,attitudeandheading(azimuth/yaw)orrawsensordataStandardRS-232,RS-485outputs,optionalanalogoutputSmall,lightweightandlowpowerMicroStrain3DM-GX1(3/3)SpecificationsSpecifications感測資料擷取與後處理WiTiltv3IMUWiTiltv3IMUWiTiltv3WiTiltv3FreescaleMMA7260Q3-axialaccelerometerMelexisMLX90601E2gyroscope(150°/sec)MelexisMLX90601E2gyroscope(150/sec)Class1BluetoothFutures