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一文看懂无人机、机器人、VR最离不开哪几种传感器

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。

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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)

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  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)

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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)

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  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)……

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  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。

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  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。

7(来源:无人机之家)

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