【Follow me第二季第4期】IMU 传感器

lijinlei

【Follow me第二季第4期】IMU 传感器 [复制链接]

# 【Follow me第二季第4期】IMU 传感器

IMU，即惯性测量单元（Inertial Measurement Unit），是一种用于测量和报告物体的三个基本线性运动（加速度）和三个基本角运动（角速度）的电子设备。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866641_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>IMU_board.png</strong> <em class="xg1">(57.5 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866641" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866641&handlekey=savephoto_866641">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

IMU 原理是采用惯性定律实现的。

IMU 通常包括一组加速度计和陀螺仪，他们是惯性系统的核心部件，是影响惯性系统性能的主要因素。

## 加速度计

加速度计是一种用于测量加速度的机电设备。

这些力可能是静态的，例如重力的连续力，或者像许多移动设备一样，动态的，用于感应运动或振动。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866640_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>AccelerationIllustration.png</strong> <em class="xg1">(32.24 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866640" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866640&handlekey=savephoto_866640">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

插图从左至右分别展示了上下、左右、前后加速度感知的情况。

快速移动开发板可在串口监视器中观察到 x, y, z 三个方向的数值曲线发生变化。

### 代码

```c++
#include <Arduino_LSM6DSOX.h>

void setup() {
Serial.begin(9600);
while (!Serial);

if (!IMU.begin()) {
  Serial.println("Failed to initialize IMU!");

while (1);
}

Serial.print("Accelerometer sample rate = ");
Serial.print(IMU.accelerationSampleRate());
Serial.println(" Hz");
Serial.println();
Serial.println("Acceleration in g's");
Serial.println("X\tY\tZ");
}

void loop() {
float x, y, z;

if (IMU.accelerationAvailable()) {
  IMU.readAcceleration(x, y, z);

Serial.print(x);
  Serial.print('\t');
  Serial.print(y);
  Serial.print('\t');
  Serial.println(z);
}
}
```

#### 流程图

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866632_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>IMU_flowchart.jpg</strong> <em class="xg1">(51.44 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866632" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866632&handlekey=savephoto_866632">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 效果

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866639_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Accelerometer_stand_shake_plot.gif</strong> <em class="xg1">(412.32 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866639" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866639&handlekey=savephoto_866639">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866638_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Accelerometer_stand_shake_board.gif</strong> <em class="xg1">(450.39 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866638" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866638&handlekey=savephoto_866638">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 应用

#### 跌落检测

从实验结果可以看出，当开发板发生剧烈晃动时，其加速度发生明显改变，通过设定阈值，可以判断是否发生碰撞或跌落。

#### 步数检测

结合人体行走或奔跑时的曲线姿态，制定相应的步态检测方案，如设定曲线抖动间隔、抖动幅值，对可能的走路、跳跃、奔跑、慢跑等多场景状态进行反馈，实现步数统计。

## 陀螺仪

陀螺仪传感器是一种可以测量和保持物体的方向和角速度的设备。

陀螺仪比加速度计更先进，因为它们可以测量物体的倾斜和横向，而加速度计只能测量其线性运动。

陀螺仪传感器也称为“角速率传感器”或“角速度传感器”。角速度以 `度/秒` 为单位，是物体**单位时间内旋转角度的变化**。

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866633_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>GyroscopeIllustration.png</strong> <em class="xg1">(35.38 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866633" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866633&handlekey=savephoto_866633">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

插图从左至右分别描述了绕 z 轴、绕 x 轴、绕 y 轴旋转的情况。

旋转开发板可在串口监视器中观察到 x, y, z 三个数值曲线的变化。

### 代码

```c++
#include <Arduino_LSM6DSOX.h>

void setup() {
Serial.begin(9600);
while (!Serial);

if (!IMU.begin()) {
  Serial.println("Failed to initialize IMU!");

while (1);
}

Serial.print("Gyroscope sample rate = ");
Serial.print(IMU.gyroscopeSampleRate());
Serial.println(" Hz");
Serial.println();
Serial.println("Gyroscope in degrees/second");
Serial.println("X\tY\tZ");
}

void loop() {
float x, y, z;

if (IMU.gyroscopeAvailable()) {
  IMU.readGyroscope(x, y, z);

Serial.print(x);
  Serial.print('\t');
  Serial.print(y);
  Serial.print('\t');
  Serial.println(z);
}
}
```

#### 流程图

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866632_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>IMU_flowchart.jpg</strong> <em class="xg1">(51.44 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866632" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866632&handlekey=savephoto_866632">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 效果

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866631_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Gyroscope_rotate_print.gif</strong> <em class="xg1">(523.87 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866631" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866631&handlekey=savephoto_866631">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866630_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Gyroscope_rotate_board.gif</strong> <em class="xg1">(804.05 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866630" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866630&handlekey=savephoto_866630">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 应用

飞机俯仰角变化，游戏模拟器，游戏手柄等

## 温度计

温度会影响 IMU 采样数据的稳定性，因此 IMU 传感器中包含高精度温度传感器，用来对温漂进行校正。

**温度漂移** TAR（Temperature Accelerometer Random Walk）**：**

- 描述IMU在温度变化时性能的稳定性。温度漂移小的IMU在不同环境条件下能够提供更一致的性能。
- 单位：$$m/s^2/\sqrt{Hz}/^\circ C$$

### 代码

```c++
#include <Arduino_LSM6DSOX.h>

void setup()
{
Serial.begin(9600);
while (!Serial);

if (!IMU.begin())
{
  Serial.println("Failed to initialize IMU!");
  while (1);
}
}

void loop()
{
if (IMU.temperatureAvailable())
{
  int temperature_int = 0;
  float temperature_float = 0;
  IMU.readTemperature(temperature_int);
  IMU.readTemperatureFloat(temperature_float);

Serial.print("LSM6DSOX Temperature = ");
  Serial.print(temperature_int);
  Serial.print(" (");
  Serial.print(temperature_float);
  Serial.print(")");
  Serial.println(" °C");
}
}
```

### 效果

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866629_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Temperature_UART.gif</strong> <em class="xg1">(670.16 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866629" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866629&handlekey=savephoto_866629">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866628_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>Temperature_board.gif</strong> <em class="xg1">(605.15 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866628" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866628&handlekey=savephoto_866628">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 应用

手势识别、手势控制、温漂校准等。

## Arduino Cloud

若使用 [Arduino Cloud](https://app.arduino.cc/) 编译代码，则首先需要对开发板进行固件升级

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_866627_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>FirmwareUpdater.jpg</strong> <em class="xg1">(70.83 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_866627" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=866627&handlekey=savephoto_866627">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

若开发板出现问题需要重置或初始化，也可采用 Firmware Updater 对开发板进行重置。

注意该升级过程需要时间较长，五分钟左右，当固件下载进度条走完后，需要保持连接，等待窗口显示 Successful 字样时表明升级完成。之后下载并安装 Arduino Cloud Agent 可成功连接 Arduino Cloud .

lijinlei

gtq 发表于 2024-12-3 16:02 哇塞，学到啦，超感谢！多多积累经验哈，盼着有那么一天能派上用场呢。

这款开发板的板载传感器较多，文中提到的 IMU 传感器在智能手机、手表、手环等可穿戴设备中应用较多，得益于在保持精度的前提下器件微型化技术的更新，因此还是有很多可以拓展的应用场景，如步数统计、姿态检测、速度监测等。