嵌入式应用中IMU（加速计与陀螺仪）的工作原理

"这篇资源详细介绍了加速传感器和陀螺仪的工作原理，并通过图示辅助讲解，内容来源于一位国外专家。文章主要关注嵌入式应用中惯性测量单元（IMU）的使用，特别是MPU6050这种常见的集成传感器。文章会探讨以下几个关键点：加速计的测量内容、陀螺仪（角速度传感器）的测量内容、如何将从传感器获得的模拟到数字（ADC）读数转换为物理单位，以及如何结合加速计和陀螺仪的数据以准确获取设备相对于地面平面的倾斜信息。文章旨在保持数学知识的最小化，即使只了解正弦、余弦和正切的基本概念，也能理解和应用到各种平台的项目中，如Arduino、Propeller、BasicStamp、Atmel芯片或Microchip PIC等。作者认为，虽然复杂的滤波器如卡尔曼滤波器或帕克-麦克莱伦滤波器可以实现更复杂的结果，但基本的数学知识已经足够处理IMU数据。" 在本文中，作者首先会解释加速计的工作原理。加速计是一种测量物体线性加速度的传感器，它可以检测设备在三个正交轴（x、y、z）上的加速度变化。在没有外力作用时，由于地球引力，加速计在垂直方向（通常为z轴）上通常会读出一个固定的值，这个值对应于重力加速度9.81 m/s²。在水平面上，如果设备静止，x和y轴的读数应该是零。然而，当设备移动或倾斜时，这些轴上的读数会发生变化，从而可以推断出设备的姿态。 接着，文章会介绍陀螺仪，它是一种测量旋转速率的传感器，也称为角速度传感器。陀螺仪能够感知设备围绕其轴线的旋转速度，同样有三个正交轴。陀螺仪的输出单位通常是度/秒（deg/s），表示设备每秒旋转的角度。结合加速计数据，陀螺仪可以帮助消除漂移，提供更精确的动态姿态信息。 然后，文章将涉及将ADC读数转换为物理单位的过程。ADC读数是传感器采集的原始电信号经过模数转换后的结果，通常需要根据传感器的规格和校准系数进行转换。例如，对于加速计，可能需要将ADC值乘以每个ADC单位对应的g值；对于陀螺仪，可能需要将ADC值除以时间常数并乘以相应的角速度系数。 最后，文章将讨论如何融合加速计和陀螺仪的数据，这通常通过互补过滤器或组合滤波器实现。例如，一种简单的融合方法是使用互补滤波器，结合加速计的长时间稳定性（在没有净加速度时保持恒定）和陀螺仪的快速响应能力（跟踪短时间内的旋转）。通过合适的权重分配，可以不断更新设备的姿态估计，从而提供更准确的倾斜角度。 这篇文章深入浅出地讲解了加速传感器和陀螺仪的基本原理，以及如何在实际应用中有效地利用它们。无论是初学者还是有一定经验的工程师，都能从中受益，理解如何从这些传感器获取有价值的信息，而无需涉及过于复杂的数学理论。