An Introduction for IMU 1 - IMU原理与MPU6050数据采集

本系列博客将从IMU的基础概念和基本原理出发,基于Arduino单片机和MPU6050传感器,介绍数据采集、数据融合、姿态解算,进一步设计无线IMU模块,开发人体姿态测量系统,并同步到生物力学分析软件OpenSim中进行逆运动学分析等。

IMU的测量原理

IMU全称Inertial Measurement Unit,惯性测量单元,主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器。根据测量原理不同,可分为微机电传感器(MEMS)和光纤陀螺仪,其中光纤陀螺主要用于航空航天与军事领域,民用IMU大都是基于惯性原理的MEMS传感器。IMU根据所能感知状态量的个数(DOF)进行区分,其中6DOF的IMU最为常见,也就是可以测量三轴加速度和三轴角速度。9DOF的IMU会多一个三轴磁力计,10DOF的IMU再多一个气压计。

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加速度计的物理实现是利用牛顿第二定律,如上左图所示,中间红色物体为一个质量块,两头通过具有弹簧性质的长条结构与基底相连,红色的短栅与绿色的短栅分别为电容的极板。当基底在双箭头方向有加速度a时,由 f = m a = k x f=ma=kx f=ma=kx,质量块会沿加速度相反的方向移动,红色极板与绿色极板之间的距离会发生变化,通过测量极板电容 C C C的变化就可以得到加速度的大小。在三轴加速度计中,这样的结构在三个方向各有一个,且做到了微米的尺寸,并配合相应的测量电路集成在一个芯片中,构成一个微机电系统。

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