慣性感測器簡介

Chih Wei YiChih-Wei Yi

Department of Computer Science

N l Ch T UNational Chiao Tung University

課程內容課程內容 什麼是慣性感測元件？ 什麼是慣性感測元件？

慣性感測元件原理

慣性感測元件的應用 慣性感測元件的應用

初解慣性感測元件讀數

什麼是慣性感測元件？什麼是慣性感測元件？ 慣性感測器（Inertial Measurement Unit IMU）是用來 慣性感測器（Inertial Measurement Unit, IMU）是用來

偵測物體運動的元件

加速度計 (accelerometer g-sensor)加速度計 (accelerometer, g sensor) 磁力計 (magnetometer, m-sensor, electrical compass) 陀螺儀 (gyroscope)陀螺儀 (gyroscope)

加速度計加速度計 介紹 介紹

原理

結構 結構

種類

應用 應用

加速度計介紹加速度計介紹 量測感受到相對於自由落體的加速度 量測感受到相對於自由落體的加速度

可分為單、多軸加速度計

大小 方向 震動 衝擊 大小、方向、震動、衝擊

微機電(Micro-Electro-Mechanical System)技術

Quality Response time Sensitivity Resolution Sampling rate Error

加速度計 原理加速度計 – 原理(1/2) 相對於自由落體的加速度 相對於自由落體的加速度

慣性加速度減去當地重力加速度

自由落體所感測到的加速度為0 自由落體所感測到的加速度為0

加速度單位

SI制：米/秒2 SI制：米/秒2

CGS制：GAL 一般： 一般：g

當地重力加速度：校正或從已知的引力模型來近似

加速度計 原理加速度計 – 原理(2/2)

加速度計 結構加速度計 – 結構

加速度計 種類加速度計 – 種類 電容式加速度計 電容式加速度計

壓電式加速度計

壓阻式加速度計 壓阻式加速度計

霍爾效應加速度計

磁阻式加速度計 磁阻式加速度計

熱傳輸加速度計

MEMS技術加速度計

奈米技術加速度計奈米 術加 度計

Acceleration in Human Terms Description “g” level Description g level Earth’s gravity 1g Passenger car in corner 2g Passenger car in corner 2g Bumps in road 2g Indy car driver in corner 3gIndy car driver in corner 3g Bobsled rider in corner 5g Human unconsciousness 7gu a u co sc ous ess 7g Space shuttle 10g

加速度計 應用加速度計 – 應用(1/7) 工程 工程

測量汽車加速度

評估引擎/傳動系統和剎車系統 評估引擎/傳動系統和剎車系統

加速度計可用於測量振動對汽車，機械，建築，過程控制系統和安全裝置。控制系統和安全裝置

測量地震活動，傾角，機械振動，動態距離

生物科學生物科學

海洋生物或是陸地生物

分辨行為模式分辨行為模式

能量消耗的速率

加速度計 應用加速度計 – 應用(2/7) 機器健康監測 機器健康監測

監測旋轉設備，如水泵、電風扇、滾輪、壓縮機、冷卻塔卻塔

節省金錢，減少停機時間，提高工廠安全

汽車製造業、機床應用業、藥品生產業、發電廠、紙汽車製造業 機床應用業 藥品生產業 發電廠 紙漿和造紙業、食品和飲料生產、水和廢水處理、水電、石化和鋼鐵生產、船運

加速度計 應用加速度計 – 應用(3/7) 建築物及結構監測建築物及結構監測 人類活動：散步、跑步、跳舞或跳繩 加工機床：在建築物內或周邊地區 建築工程：打樁、爆破、鑽探和發掘 建築工程：打樁、爆破、鑽探和發掘 橋樑的動態負載 汽車碰撞

衝擊負載 脫落碎片 衝擊負載：脫落碎片 震盪負載：內部和外部爆炸 結構單元的倒塌結構單元的倒塌 風力負載 空氣爆破壓力 地基毀壞 地基毀壞 地震

加速度計 應用加速度計 – 應用(4/7) 醫療 醫療

測量心肺復甦術的深度

Nike、Polar等公司開發運動手錶 Nike Polar等公司開發運動手錶

在比利時，由政府推動利用加速度為基礎的計步器來鼓勵市民步行每天幾千步鼓勵市民步行每天幾千步

體能訓練

加速度計 應用加速度計 – 應用(5/7) 導航 導航

慣性導航系統：通過不斷計算移動物體的位置、方向和速度，來提供導航和速度 來提供導航

加速度計 應用加速度計 – 應用(6/7) 運輸 運輸

安全氣囊

電子穩定控制系統，使用橫向加速度測量轉彎力量 電子穩定控制系統，使用橫向加速度測量轉彎力量

監測噪音、振動和舒適性

搖擺式列車搖擺式列車

加速度計 應用加速度計 – 應用(7/7) 消費電子 消費電子

個人電子設備：智能手機、PDA Sony PlayStation 3 Sony PlayStation 3

任天堂Wii遊戲機控制器、雙節棍

筆記型電腦的硬碟筆記型電腦的硬碟

自動調整屏幕的方向

運動的應用運動的應用

數位相機/攝影機的防震功能

控制音樂播放器，例如更改到下一首歌曲控制音樂播放器 例如更改到下 首歌曲

磁力計磁力計 介紹 介紹

種類

應用 應用

磁力計介紹磁力計介紹 電子羅盤 電子羅盤

用來量測該設備附近的磁場大小與方向

每個地方的磁力各不相同 每個地方的磁力各不相同

不同性質的岩石、帶電粒子與太陽的相互作用、行星的磁氣圈的磁氣圈

在太空船中常用來探測行星

磁力單位磁力單位

地球磁場地球磁場 物理學領域尚未解決的重大難題之一 物理學領域尚未解決的重大難題之

美國科學家加里‧格拉茨邁爾和保羅‧羅伯特

地球的固態鐵鎳內核是一塊快速旋轉的磁鐵 地球的固態鐵鎳內核是一塊快速旋轉的磁鐵

外核是等離子態的液體鐵鎳

由于熱源由內向外的傳遞，造成等離子體漩渦，複雜 由于熱源由內向外的傳遞，造成等離子體漩渦，複雜的運動產生電流，從而形成磁力線和磁場。柱狀磁軸沿地球自轉軸的南北方向形成南北磁極沿地球自轉軸的南北方向形成南北磁極

磁力計 種類磁力計 – 種類(1/2) 可分為兩種基本類型 可分為兩種基本類型

純量磁力計：測量磁場的總強度

向量磁力計：可測量磁場在一個特定的方向的分量 向量磁力計：可測量磁場在 個特定的方向的分量

磁力計 種類磁力計 – 種類(2/2) 旋轉線圈磁力計 旋轉線圈磁力計

霍爾效應磁力計

質子磁力計 質子磁力計

梯度儀

磁通門磁力計 磁通門磁力計

銫蒸汽磁力計

自旋交換無鬆弛原子磁力計

超導量子干涉磁力計導 干涉磁 計

磁力計 應用磁力計 – 應用(1/6) 地球物理學 地球物理學

探測鐵的含量

沉船 沉船

其他埋葬或水中物體

偵測潛艇偵測潛艇

磁力計 應用磁力計 – 應用(2/6) 考古學 考古學

考古遺址

磁力計 應用磁力計 – 應用(3/6)• 探勘石油與天然氣探勘石油與天然氣

磁力計 應用磁力計 – 應用(4/6)• 量測太陽風對地球的磁場的影響量測太陽風對地球的磁場的影響

Solar Storms -- the 1989 Blackout

磁力計 應用磁力計 – 應用(5/6) 動物行為學 動物行為學

磁力計 應用磁力計 – 應用(6/6) 太空探險 太空探險

陀螺儀陀螺儀 介紹 介紹

特性

原理 原理

應用

陀螺儀 介紹陀螺儀 – 介紹 測量角速度的設備 測量角速度的設備

是一種用來感測與維持方向的裝置

角動量不滅理論 角動量不滅理論

主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成

單位 單位：degree/second

陀螺儀 特性陀螺儀 – 特性 導航（航空、航海）的應用 導航（航空 航海）的應用

沒有磁力計或磁力計不夠精確

由於更高的精密 陀螺儀也被用來在隧道采礦過程 由於更高的精密，陀螺儀也被用來在隧道采礦過程中保持方向

陀螺儀 原理陀螺儀 – 原理

陀螺儀 應用陀螺儀 – 應用(1/5) 在航空上的應用 在航空上的應用

陀螺儀裝在儀表板上的，稱為指示陀螺儀，常用的有：有：

水平陀螺指示儀

方向陀螺指示儀 方向陀螺指示儀

轉彎傾斜指示儀

陀螺儀 應用陀螺儀 – 應用(2/5) 陀螺儀不直接提供指示，而安裝在機腹的電子艙中 陀螺儀不直接提供指示，而安裝在機腹的電子艙中

（electronic compartment），稱信號陀螺儀，只提供信號資料給有關儀錶或系統。常用的有：信號資料給有關儀錶或系統 常用的有

垂直陀螺儀

方向陀螺儀方向陀螺儀

速率陀螺儀

陀螺儀 應用陀螺儀 – 應用(3/5) 隧道中心線測量 隧道中心線測量

在隧道等挖掘工程中，需測量坑內的中心線，並確保測量的精度測量的精度

特別是在密集的城市地區，不可能進行過多的檢測作業

陀螺儀 應用陀螺儀 – 應用(4/5) 正北測定 正北測定

迷路

建築 建築

陀螺儀 應用陀螺儀 – 應用(5/5) 軍事 軍事

飛彈鎖定戰鬥機

Sparkfun WiTilt v3 (1/3) A Freescale MMA7260Q triple-axis accelerometer A Freescale MMA7260Q triple-axis accelerometer

A Melexis MLX90601 E2 150 degree/second gyroscope

A l 1 Bl t th li k A class 1 Bluetooth link

Sparkfun WiTilt v3 (2/3) FeaturesFeatures Selectable channels for sampling (X, Y, Z and rotation) Adjustable accelerometer range and calibration (1.5 g, 2 g, 4 g, 6 g) Raw, binary and calculated output modes Adjustable report threshold for accelerometer, gyroscope and battery

voltagevoltage Adjustable output frequency 50 Hz max in degree mode

d 135 Hz max in gravity mode 220 Hz max in raw ADC mode 610 Hz max in binary mode

Resolution 16 bit in binary mode

Sparkfun WiTilt v3 (3/3) Static test Static test

MicroStrain 3DM-GX1 (1/3) Three angular rate gyros Three angular rate gyros

Three orthogonal DC accelerometers

Th th l t t Three orthogonal magnetometers

Multiplexer

16 bit A/D converter

Embedded microcontroller

MicroStrain 3DM-GX1 (2/3) Features Features On-board processing/filtering of accelerometer, gyro and

magnetometer outputg p Fully compensated over wide temperature range Calibrated for sensor misalignment and gyro G-sensitivityg gy y Outputs Euler angles, quaternion, orientation matrix, attitude

and heading (azimuth/yaw) or raw sensor data Standard RS-232, RS-485 outputs, optional analog output Small, lightweight and low power

MicroStrain 3DM-GX1 (3/3) Specifications Specifications

感測資料擷取與後處理

WiTilt v3 IMU

WiTilt v3 IMU WiTilt v3 WiTilt v3

Freescale MMA7260Q 3-axial accelerometer

Melexis MLX90601 E2 gyroscope (150°/sec) Melexis MLX90601 E2 gyroscope (150 /sec)

Class 1 Bluetooth

Futures Futures 可充電的 LiPo 電池

輸出模式: raw, binary, and computing

可調式的加速度計、陀螺儀和電池電壓

可選擇的channel取樣（X，Y，Z和Rotation）

可調式加速度計範圍和校準（1 5 2 4 6 ） 可調式加速度計範圍和校準（1.5g，2g，4g，6g）

可調式輸出頻率：最大50Hz的角度模式，最大135Hz的重力模式，最大220Hz的raw ADC模式，最大610Hz的二進制模式

Layout

3. Debug header

4. Power plug

5. Restart button

6. Status LED

7. Battery connector

8 AVR Programming 8. AVR Programming Support

9 Bluetooth indicator

1. Power switch

Li k M d (M Bl h D h d )

9. Bluetooth indicator

2. Link Mode (M: Bluetooth; D:hardware)

Experiment Environments Hardware Hardware Netbook IMU: WiTilt v3 IMU: WiTilt v3 免安全認證方式連線

Bluetooth adaptorp

Software Bluetooth driver 須支援免安全認證

Microsoft XP 內建的驅動不支援免安全認證

超級終端機 開始→所有程式→附屬應用程式→通訊→超級終端機

COM b d COM port, baudrate

的主畫面WiTilt的主畫面

Main Menu 1) Start Tri-Ax detector (Press any key stop)1) Start Tri Ax detector (Press any key stop) 開始連結WiTilt v3 sensor 輸出使用者設定想要的輸出值輸 使 輸

2) Set active channels (XYZBR Active) 選擇輸出的欄位 XYZ: 加速度計的X,Y,Z軸的變化值 B: 電池(未顯示)

軸 值 R: 一軸gyro值

3) Calibrate (sensor校正)三軸加速度計的校正 (註 的X軸方向有誤) 三軸加速度計的校正 (註: sensor的X軸方向有誤)

一軸gyro的校正

Main Menu 4) Sensor range (range 設定)4) Sensor range (range 設定) Range:1.5g , 2g , 4g , 6g

5) Display mode (output mode)y Gravity values Raw values Bi M d Binary Mode Degree Mode

6) Set/View threshold values6) Set/View threshold values 設定臨界值

濾掉sensor的小誤差

7) Set output frequency 依據你所選擇的output mode, 會有不同的frequency range.

Task G-sensor 資料分析G sensor 資料分析 靜止狀態 擺動

Gyroscope 資料分析y p 資料分析 靜止狀態 旋轉

Tools設定 IMU設定

資料匯出：記事本、Excel

靜態測試 軸重力加速度靜態測試：3軸重力加速度

X Y Z

Average 0.060291 0.019485 1.017455

Standard Deviation 0.009782 0.010625 0.009817

0.8

1

1.2

0.08

0.1

0.12

0.4

0.6 X

Y

Z0.02

0.04

0.06

X

Y

-0.2

0

0.2

1 24 47 70 93 116

139

162

185

208

231

254

277

300

323

346

369

392

415

438

461

484

-0.04

-0.02

0

1 26 51 76 101

126

151

176

201

226

251

276

301

326

351

376

401

426

451

476

501

靜態測試 角速度及重力靜態測試：角速度及重力

R |G|

Average 0.061386 1.019528g

Standard Deviation 1.147026 0.009831

4

6

R

1 03

1.04

1.05

|G|

-2

0

2

1 23 45 67 89 111

133

155

177

199

221

243

265

287

309

331

353

375

397

419

441

463

485 R

0.99

1

1.01

1.02

1.03

|G|

-8

-6

-4

0.96

0.97

0.98

1 27 53 79 105

131

157

183

209

235

261

287

313

339

365

391

417

443

469

495

自由擺動自由擺動

2

3

X

2

3

Z

-2

-1

0

1

1 27 53 79 105

131

157

183

209

235

261

287

313

339

365

391

417

443

469

495

X

-2

-1

0

1

1 27 53 79 105

131

157

183

209

235

261

287

313

339

365

391

417

443

469

495

Z

-3

Y

-3

R

1

2

3

Y

50100150200

R

-3

-2

-1

0

1 27 53 79 105

131

157

183

209

235

261

287

313

339

365

391

417

443

469

495

Y

-200-150-100

-500

1 28 55 82 109

136

163

190

217

244

271

298

325

352

379

406

433

460

487

R

Acceleration Waveform of Moving Upward and Downward 5 times 5 times

2

2.5

1.5

2

0.5

1

X

Y

0

1 12 23 34 45 56 67 78 89 100

111

122

133

144

155

166

177

188

199

210

221

232

243

254

265

276

287

298

309

320

331

342

Z

-1

-0.5

-1.5

Acceleration Waveform of Moving Left and Right 5 times 5 times

2.5

1.5

2

0.5

1

X

Y

-0.5

0

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

109

118

127

136

145

154

163

172

181

190

199

208

217

226

235

244

253

262

271

280

289

Z

-1.5

-1

-2

Acceleration Waveform of Moving Forward and Backward 5 times 5 times

2

1

1.5

0.5 X

Y

-0.5

0

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

109

118

127

136

145

154

163

172

181

190

199

208

217

226

235

244

253

262

271

280

289

298

307

316

325

334

Z

-1

-1.5

Acceleration Waveform of Walking

2

1.5

1

數列1

數列2

數列30.5

0 5

0

1 16 31 46 61 76 91 106

121

136

151

166

181

196

211

226

241

256

271

286

301

316

331

346

361

376

391

406

421

436

451

466

481

496

511

526

541

556

571

586

601

616

631

646

661

676

-0.5

Gyroscope Readings Rotate 90° clockwise Rotate 180° clockwise Rotate 90 clockwise Sampling rate: 100Hz

Σ/100=98 20

Rotate 180 clockwise Sampleing rate: 100Hz

Σ/100=195 64 Σ/100 98.20 Σ/100 195.64

Rotate 90° clockwise Rotate 180° clockwise

80

100

120

140

80

100

120

20

40

60

80

20

40

60

-20

0

1 16 31 46 61 76 91 106

121

136

151

166

181

196

211

226

241

256

271

286

301

316

331

346

-20

01 21 41 61 81 101

121

141

161

181

201

221

241

261

281

301

321

341

361

381

401

421

441

461