三轴陀螺仪在物联网系统中检测重力加速度的方案分享

物联网系统中为什么要使用姿态传感器

物联网系统中使用姿态传感器是因为它们能够提供高精度、实时性和可靠性的姿态测量数据，广泛应用于航空航天、机器人技术、智能家居、安防监控等多个领域，为物联网系统的发展提供了重要支持。姿态传感器通常应用于以下场景：

航空航天：在航空航天领域，姿态传感器用于实现精确的导航和飞行控制，确保飞行器的稳定性和安全性。

机器人技术：在机器人领域，姿态传感器用于实时监测和控制机器人的姿态，实现精确的运动控制和姿态调整。

智能家居：在智能家居领域，姿态传感器可以应用于智能门锁、智能窗帘等设备中，通过感知用户的姿态来实现自动控制和智能化操作。

安防监控：在安防监控领域，姿态传感器可以用于人体姿态识别，通过实时监测人体的动作和姿态来预防潜在的安全风险。

例如：智能物联网设备

电池供电设备通过加速度计进行姿态与运动检测，充分利用加速度传感器内部集成的硬件算法，能更好的平衡性能与耗电这个电池供电设备的重要需求。

电池供电的物联网产品，部分采用不可充电的纽扣电池，而部分需要更强运算功能的需要采用可充电锂电池，在有限的电池资源下如何延长电池寿命，对于传感器部分，常用的方式通常有两种：

采用超低功耗的微处理器，通过利用传感器本身自带的FIFO功能，减少微处理器周期唤醒的次数和唤醒时间。

利用传感器本身的搭载的低功耗边缘计算功能，最大限度的降低微处理器的功耗。

加速度计的运动状态检测常见的用途有：

检测由静到动，比如车辆防盗系统中可以用加速度计判定异常的震动；电表水表汽表检测非法打开测量设备；手机里面依据震动加上角度判断识别手机是否被用户拿起了；车载视频监控检测到车辆启动自动录像操作，遥控器被拿起后进入快速连接状态等等；

检测由动到静，主要是用于依靠这个状态信息进行相应的控制，比如玩具如果在设定时间内是静止的，自动关机节省电源等等；

检测动的方式，比如TWS耳机或者电子烟上使用敲击的方式来实现无按键控制，比如计步检测，撞击检测，双击实现类似电源开关或者打开费电的射频单元等等。

姿态传感器优势

小型设备应用：现代姿态传感器倾向于微型化和集成化，可以在小型设备中实现高性能的姿态测量功能。这种微型特性使得姿态传感器广泛应用于移动终端、智能可穿戴设备等场景。

低功耗设计：姿态传感器通常采用低功耗设计，延长了设备的续航时间，适用于需要长时间运行的物联网系统。

实时性：姿态传感器能够实时输出物体的姿态数据，为物联网系统提供及时的反馈和控制信息。

可靠性：通过定期的错误校正和校准，姿态传感器能够保持其准确性和可靠性，确保物联网系统的稳定运行。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——姿态传感器。

姿态传感器的定义

姿态传感器是一种集成了多种传感器技术的设备，主要用于实时测量和确定物体或系统的空间姿态信息。这些传感器通常包括加速度计、陀螺仪和磁力计等，它们各自提供关于物体运动状态的不同方面的数据。通过综合处理这些数据，姿态传感器能够计算出物体相对于某一参考系（如地球或某个固定点）的方向、倾斜角度、旋转速率等姿态参数

姿态传感器的结构

姿态传感器是基于MEMS（微机电系统）技术的高性能三维运动姿态测量系统，其内部结构通常包含以下几个关键组件：

传感器单元

三轴陀螺仪：用于测量物体绕三个轴的角速度，帮助跟踪物体的旋转方向和速度。

三轴加速度计：测量物体在三个轴向上的加速度，包括重力加速度，从而确定物体的倾斜角度。

三轴电子罗盘（或磁力计）：测量地球磁场的方向，提供关于物体绝对方向的信息。

处理器单元

低功耗ARM处理器：负责接收来自传感器单元的数据，进行温度补偿、数据融合和算法处理等，最终输出校准过的姿态数据。数据处理与算法

基于四元数的三维算法：用于实时计算物体的姿态，包括方向、旋转角度等，确保输出的姿态数据具有高精度和稳定性。

特殊数据融合技术：如卡尔曼滤波算法等，用于将来自不同传感器的数据进行融合处理，以消除噪声和误差，提高测量精度。

接口与通信

数据输出接口：提供I2C、SPI、串口等多种接口，方便用户根据自己的需求进行选择和配置。

通信协议：支持标准的通信协议，确保与主控芯片或其他设备的稳定通信。

其他辅助模块

电源模块：为姿态传感器提供稳定的电源供应。

温度补偿模块：用于对传感器数据进行温度补偿，消除温度变化对测量精度的影响。

姿态传感器的工作原理

传感器数据采集

加速度计：

加速度计是一种能够测量物体加速度的传感器。它通常使用微机电系统（MEMS）技术，通过检测物体在空间中的加速度变化来测量姿态角度的方向。加速度计可以测量物体在三个轴（X轴、Y轴、Z轴）上的加速度，包括重力加速度。根据物体的加速度信息，可以计算出姿态参数，如倾斜角度和旋转角度。

以下图为例，中间是一个具有一定质量，左右有弹簧的小滑块，小滑块移动时，滑块上的电位器也跟着移动，通过电位器的电压，就能够知道滑块的加速度值。这个加速度计实际上是一个弹簧测力计，根据牛顿第二定律F=ma，想要测量加速度a，只需要找一个单位质量的物体，测量它所受的力F就行了。

X、Y、Z轴都具有一个加速度计，以下面的图为例，假设芯片里有6个测力的秤组成一个正方体，正方体内部放一个大小正好的单位质量小球，小球压在一个面上，就会产生对应轴的数据输出。如果压在上面为正值，压在下面为负值，6个面测的力就是3个轴的加速度值。

加速度计具有静态稳定性，不具有动态稳定性。假设芯片向左倾斜放置，底面和左面都受力，求一个三角函数，就能得到向左的倾角。但是这个倾角只有在静态时生效。因为加速度分重力加速度和运动加速度，如果此时芯片运动起来，这个三角函数的倾角就会受运动加速度的影响。（向前加速运动时，芯片的底面和左面也受力，无法判断芯片的状态是向左倾斜放置还是向前加速。）

陀螺仪：

陀螺仪是一种能够测量物体旋转速度的传感器。它利用旋转惯性原理，通过检测物体绕不同轴的旋转速度来测量姿态角度的速度和目标。陀螺仪的数据对于确定物体的旋转方向和速度至关重要。

陀螺仪：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。

如图所示，中间是一个有一定质量的旋转轮，外面是3个轴的平衡环，当中间的旋转轮高速旋转时，根据角动量守恒原理，这个旋转轮具有保持它原有角动量的趋势。这个趋势可以保持旋转轴方向不变，当外部物体转动时，内部的旋转轴方向不会转动。这会在平衡环连接处产生角度偏差，如果在连接处放一个电位器，测量电位器的电压，就能得到角度了。

但是陀螺仪并不能直接测量角度。芯片内部的陀螺仪测量的时角速度，分别表示了此时芯片绕X、Y、Z轴旋转的角速度。

俯仰角θ（pitch）：机体坐标系X轴与水平面的夹角。当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上（抬头）时，俯仰角为正，否则为负。

偏航角ψ（yaw）：机体坐标系xb轴在水平面上投影与地面坐标系xg轴（在水平面上，指向目标为正）之间的夹角，由xg轴逆时针转至机体xb的投影线时，偏航角为正，即机头右偏航为正，反之为负。

滚转角Φ（roll）：机体坐标系zb轴与通过机体xb轴的铅垂面间的夹角，机体向右滚为正，反之为负。

对角速度进行积分，就可以得到角度。通过角速度积分得到的角度也有局限性，当物体静止时，角速度会因为噪声无法完全归零，经过积分的累积，噪声会导致计算出来的角速度产生缓慢的偏移。但是这个角度不会受物体运动的影响。

加速度计具有静态稳定性，陀螺仪具有动态稳定性，这两种传感器的特性正好互补。所以取长补短，进行互补滤波，就能获得稳定的姿态角了。

磁力计：

磁力计是一种可以测量地面磁场的传感器。它利用物体周围的地面磁场信息，通过检测磁场方向和强度的变化来测量姿势方向和视角。磁力计的数据用于提供关于物体绝对方向的信息，与加速度计和陀螺仪的数据相结合，可以进一步提高姿态测量的准确性。

磁力计是一种可以测量地面磁场的传感器。它利用物体周围的地面磁场信息，通过检测磁场方向和强度的变化来测量姿势方向和视角。磁力计通常与加速度计和陀螺仪等传感器结合使用，以提供更准确的姿势测量结果。

为了去除噪音和偏差，并获得准确的姿态状态，姿态传感器通常会将上述多个传感器导出的数据进行整合和过滤。

数据融合与算法处理

数据融合：姿态传感器将加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器的数据进行融合处理。这通常通过复杂的算法来实现，如卡尔曼滤波算法等。数据融合的目的是消除传感器之间的噪声和误差，提高测量精度和稳定性。

算法处理：基于四元数的三维算法是姿态传感器中常用的算法之一。该算法利用四元数表示物体的旋转和姿态，通过实时计算四元数的变化来跟踪物体的姿态。此外，还有其他算法如欧拉角表示法、旋转矩阵等也常用于姿态传感器的数据处理中。

姿态输出

经过数据融合和算法处理后，姿态传感器可以输出物体的姿态信息。这些信息通常以四元数、欧拉角或旋转矩阵等形式表示，并可以通过I2C、SPI、串口等接口传输给主控芯片或其他设备。

硬件结构

如下图所示为系统硬件总框图

主要分为电源模块、单片机模块、磁传感模块、加速度传感模块和RS-232接口模块。

软件流程

如下图所示为系统软件总框架图

利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。主要可以分为初始化、采集、通信、解析、输出等几个环节，产品配套有成熟的上位机软件可以很简便地直接使用，并且可以根据需求进行功能或界面的修改。

姿态传感器的分类

按集成传感器类型分类

三轴加速度传感器：主要测量物体在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的加速度，通过加速度数据可以计算出物体的倾斜角度等姿态信息。

三轴陀螺仪：测量物体绕三个轴的角速度，帮助跟踪物体的旋转方向和速度。

三轴磁力计（电子罗盘）：测量地球磁场的方向，提供关于物体绝对方向的信息。

六轴姿态传感器：集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，能够同时测量物体的加速度和角速度，从而更准确地计算物体的姿态。

九轴姿态传感器：在六轴姿态传感器的基础上增加了三轴磁力计，能够同时测量加速度、角速度和磁场信息，进一步提高了姿态测量的精度和稳定性。

按功能特性分类

高精度姿态传感器：采用高精度传感器和先进的数据处理算法，能够提供高精度的姿态信息，适用于对测量精度要求较高的应用场景。

低功耗姿态传感器：通过低功耗设计和优化算法，能够在保证测量精度的同时降低功耗，延长设备的使用时间。

小型化姿态传感器：采用先进的封装技术和微型化设计，使得传感器体积更小、重量更轻，便于在小型设备或嵌入式系统中使用。

按应用场景分类

航空航天姿态传感器：用于飞机、火箭等航空航天器的姿态测量和控制，确保飞行安全。

机器人姿态传感器：用于机器人的姿态感知和控制，实现机器人的自主导航和动作协调。

虚拟现实/增强现实姿态传感器：用于跟踪用户的头部和手部姿态，提供沉浸式的虚拟现实或增强现实体验。

运动追踪姿态传感器：在运动追踪系统中使用，实时测量运动员或运动物体的姿态信息，为运动分析和训练提供数据支持。

医疗设备姿态传感器：在医疗设备中用于监测患者的姿态和运动情况，为医疗诊断和治疗提供辅助信息

姿态传感器的使用注意事项

环境要求

避免强磁场：姿态传感器对磁场敏感，应避免将其放置在磁力较大的区域，以防止磁场干扰导致数据异常。

适宜的温度范围：传感器应在规定的温度范围内使用，避免在温度过高或过低的环境中使用，以保证测量精度和稳定性。

连接与供电

正确连接：在连接姿态传感器时，应确保传感器与目标设备的连接稳固可靠，接口无松动。使用适当的电缆或接口进行连接，避免连接错误导致的数据传输问题。

稳定供电：传感器的供电电压应符合规定范围，并确保电源稳定。避免电压波动或电源不稳定对传感器性能造成影响。

操作与设置

初始化与参数设置：在使用姿态传感器之前，需要进行初始化操作，并根据目标设备的要求设置传感器的相关参数。这包括设置测量范围、采样率、滤波方式等，以确保传感器能够正常工作并满足应用需求。

选择合适的测量模式：根据应用需求选择合适的测量模式，如静态测量、动态测量等。不同的测量模式对数据的处理和输出方式有所不同，需要根据实际情况进行选择。

数据处理与存储

实时读取数据：使用设备的软件或编程接口实时读取传感器提供的姿态数据。确保数据的准确性和实时性，以便进行后续处理和分析。

数据备份与存储：定期备份和存储姿态数据，以防止数据丢失或损坏。同时，对重要数据进行加密处理，确保数据安全。

维护与校准

定期检查与维护：定期检查传感器的连接接口、电缆等部件是否完好，确保传感器处于良好的工作状态。同时，注意传感器的清洁和保养，避免灰尘和污垢对传感器性能造成影响。

定期校准：定期进行传感器的校准工作，以消除传感器的偏差和误差。校准过程应严格按照厂家提供的指南进行，确保校准结果的准确性和可靠性。

其他注意事项

避免液体接触：避免将姿态传感器与水或其他液体接触，以防止传感器内部电路受损或腐蚀。

注意用户安全：在使用姿态传感器时，应注意用户安全。确保传感器不会对人体造成伤害或不适，特别是在涉及高速旋转或剧烈运动的应用场景中。

姿态传感器的选型参数

测量范围

加速度测量范围：常见的范围包括±2g、±4g、±8g、±16g等。根据应用场景的不同，选择合适的加速度测量范围以避免测量误差。

角速度测量范围：通常以度/秒（°/s）为单位，如±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s等。选择适合应用需求的角速度测量范围。

磁力计测量范围（对于包含磁力计的传感器）：通常以微特斯拉（μT）为单位，如±4800μT、±1300μT等。

分辨率

分辨率决定了传感器能够检测到的最小变化量。分辨率越高，测量精度越高，但成本也会相应增加。根据应用需求选择合适的分辨率。

精度

精度是传感器输出值与实际值之间的偏差程度。选择高精度的传感器可以确保测量结果的准确性。

稳定性与漂移

稳定性：指传感器在长时间工作过程中保持测量精度的能力。

漂移：指传感器输出值随时间或环境条件变化而发生的偏移。选择稳定性好、漂移小的传感器可以提高系统的可靠性。

抗干扰能力

在嘈杂环境下，抗干扰能力强的传感器能够减少外部因素对测量结果的影响，提高测量精度。

通信协议

选择与系统兼容的通信协议，如I2C、SPI等，以确保传感器能够顺利与主控芯片或其他设备进行数据传输。

电源需求

考虑传感器的电源需求，包括供电电压、电流消耗等。确保系统能够提供足够的电源支持。

尺寸与重量

根据应用场景的空间限制和重量要求选择合适的传感器尺寸和重量。

附加功能

一些姿态传感器还具备跌落检测、超动态检测等附加功能。根据应用需求选择是否需要这些功能。

示例型号及参数

MPU6050：集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，加速度度量范围±2g/±4g/±8g/±16g，角速度度量范围±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s，接口类型I2C/SPI。

MPU9250：集成了三轴加速计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，加速度度量范围与MPU6050相同，角速度度量范围也相同，磁力计测量范围±4800μT，接口类型同样为I2C/SPI。

BMX055：集成了三轴加速计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，加速度度量范围与上述型号相似，角速度度量范围包括±125°/s、±250°/s等更宽的选择，磁力计测量范围±1300μT，接口类型也为I2C/SPI。

姿态传感器的厂商

Honeywell

简介：霍尼韦尔是一家在航空航天、工业自动化、安全系统等多个领域具有领先地位的跨国公司。其姿态传感器产品以高精度、高稳定性和可靠性著称，广泛应用于航空航天、工业自动化等领域。

产品特点：可能包括高精度、高稳定性、低噪声等特点，能够满足复杂环境下的姿态测量需求。

STMicroelectronics（意法半导体）

简介：意法半导体是全球领先的半导体解决方案提供商之一，专注于模拟、微控制器和功率半导体等领域。其姿态传感器产品种类丰富，性能优异，广泛应用于消费电子、汽车电子等领域。

产品特点：可能包括集成度高、功耗低、性能稳定等特点，能够满足不同应用场景的需求。

InvenSense

简介：InvenSense是一家专注于运动跟踪解决方案的领先半导体公司，其产品在智能手机、平板电脑、可穿戴设备等消费电子产品中广泛应用。InvenSense的姿态传感器以其高性能和低功耗著称。

产品特点：可能包括高精度、低功耗、快速响应等特点，能够提供实时的姿态数据支持。

NXP Semiconductors（恩智浦半导体）

简介：恩智浦半导体是一家全球领先的半导体公司，专注于高性能混合信号和标准产品解决方案。其姿态传感器产品可能也具有一定的市场份额和竞争力。

产品特点：根据市场定位，可能具备高精度、高集成度等特点，适用于多种应用场景。

Bosch Sensortec（博世传感器技术）

简介：博世传感器技术是博世集团旗下的子公司，专注于传感器技术和解决方案的研发与生产。其姿态传感器产品可能具有较高的精度和稳定性，广泛应用于汽车、工业等领域。

产品特点：可能包括耐用性高、适应性强等特点，能够满足复杂环境下的姿态测量需求。

其他厂商

除了上述厂商外，还有如MEMSIC、ADI、Microstrain、KVH Industries等公司在姿态传感器领域也具有一定的实力和市场份额。这些公司可能在不同的应用领域或技术方向上有所专长，为市场提供多样化的姿态传感器解决方案。

供应商A：上海矽睿科技股份有限公司（QST）

www.qstcorp.com

1、产品能力

主推型号1：QMI8658

对应的产品详情介绍

QMI8658是一款低噪声、高带宽的六轴惯性测量单元(IMU），包含一个三轴陀螺仪和一个三轴加速计，采用2.5 x 3.0 x 0.86 mm 14-pin LGA 封装。支持多种通讯接口：I3C、I2C和SPI。内置AttitudeEngine，可满足惯性导航高精度低功耗的要求，即使在低速率情况下的数据输出也可保持高精度。

QMI8658带自校准九轴传感器融合和系统级定位精度，是高性能消费品和工业应用的理想选择。

可应用于：智慧手机、智慧可穿戴设备、TWS耳机、游戏手柄、空鼠、无人机、扫地机器人、摄像头、升降桌、二轮电动车、投影仪、平板、T-box等，实现运动姿态解算，手势或头部姿势识别与追踪，倾斜角度检测等作用。

产品特点

· 高集成、小尺寸的封装形式：2.5 x 3.0 x 0.86 mm 14- pin LGA

· 低噪声：陀螺仪低噪声15 mdps/√Hz与低延迟

· 接口可灵活选择：支持MIPI™ I3C, I2C, 和 3-wire 或 4-wire SPI

· 陀螺仪动态范围±16°/s 至 ±2048°/s, 加速度计动态范围±2 g 至 ±16 g

· 运行温度范围广：-40°C～85°C，在高低温环境中，保持灵敏度

· 内置温度传感器与补偿算法

硬件参考设计

2、支撑

技术产品

技术资料

供应商B：Invensense

https://invensense.tdk.com/

1、产品能力

（1）选型手册

https://invensense.tdk.com/smartmotion/

（2）主推型号1: MPU6050

对应的产品详情介绍

MPU6050是InvenSense推出的集成6轴运动处理组件，即三轴MEMS陀螺仪传感器和三轴MEMS加速度传感器，相较于多组件方案，集成模块可以免除各个组件时间轴之差的问题，还能大大减小封装的空间。它含有一个副IIC接口，可用于连接外部磁力传感器，利用自带数字运动处理器（DMP，Digital Motion Processor的缩写）硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。

MPU6050 的特点

① 以数字形式输出 6 轴或 9 轴（需外接磁传感器）（注2）的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据（需 DMP 支持）。

② 具有 131 LSBs/°/sec 敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000°/sec 的 3 轴角速度感测器(陀螺仪)。

③ 集成可程序控制，范围为±2g、±4g、±8g 和±16g 的 3 轴加速度传感器。

④ 移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。

⑤ 自带数字运动处理引擎可减少MCU复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。

⑥ 内建运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。

⑦ 自带一个数字温度传感器。

⑧ 带数字输入同步引脚(Sync pin)支持视频电子影像稳定技术与 GPS。

⑨ 可程序控制的中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G 中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。

⑩ VDD 供电电压为 2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VLOGIC 可低至 1.8V± 5%。

⑪ 陀螺仪工作电流：5mA。

⑫ 自带 1024 字节 FIFO，有助于降低系统功率。

⑬ 400Khz 的 IIC 通信接口。

注2：三轴 = 3轴陀螺仪

六轴 = 3轴加速度计 + 3轴陀螺仪

九轴 = 3轴加速度计 + 3轴陀螺仪 + 3轴磁力计

硬件参考设计

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联叉车监控项目

2、支撑

技术产品

技术资料

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审核编辑 黄宇