Zweven tussen auto’s in een game op je telefoon, een quadcopter drone drijvend houden ondanks wisselende wind, je huis stofzuigen met een robot, en het vertalen van je precieze bewegingen bij het dragen van een VR-headset hebben allemaal één ding gemeen. Ze maken elk gebruik van sensoren, specifiek een IMU (Inertial Measurement Unit), om goed te kunnen functioneren.
Donderdag 15 november 2018
Het weven tussen auto’s in een game op je telefoon, het drijvend houden van een quadcopter drone ondanks een veranderende wind, het stofzuigen van je huis met een robot, en het vertalen van je precieze bewegingen bij het dragen van een VR-headset hebben allemaal één ding met elkaar gemeen. Ze maken allemaal gebruik van sensoren, met name een IMU (Inertial Measurement Unit), om goed te kunnen functioneren.
Voordat we IMU’s in het bijzonder bekijken, beginnen we eerst wat breder. Een sensor is een elektronisch apparaat dat samen met andere elektronica wordt gebruikt om veranderingen in een omgeving te detecteren, zoals licht, geluid of beweging. De sensor geeft die informatie vervolgens door aan de elektronische apparaten waarop hij is aangesloten.
Wat kan een sensor meten?
- Tactiele inputs: knoppen of touchscreens
- Motion inputs: je telefoon herkent dat je hem op breedbeeld hebt gezet
- Lichtinputs: je koplampen gaan ’s nachts aan
- Temperatuuringangen: een thermostaat past zich automatisch aan naar boven of beneden
- Vochtigheid/vochtigheidsingangen: je ruitenwissers gaan aan in de regen
- Magnetische veldingangen: je GPS weet welke richting je op gaat
- Vibratie-inputs: een olieboor in een veld wordt gecontroleerd op veiligheid
- Chemische inputs: een koolmonoxidedetector signaleert gevaarlijke niveaus
- Biologische inputs: detecteren van tumoren, verhoogde bloedwaarden of toxines
Een IMU is een specifiek type sensor dat hoeksnelheid, kracht en soms magnetisch veld meet. IMU’s bestaan uit een 3-assige versnellingsmeter en een 3-assige gyroscoop, wat zou worden beschouwd als een 6-assige IMU. Ze kunnen ook een extra 3-assige magnetometer bevatten, wat als een 9-assige IMU zou worden beschouwd. Technisch gezien verwijst de term “IMU” alleen naar de sensor, maar IMU’s worden vaak gecombineerd met sensorfusiesoftware die gegevens van meerdere sensoren combineert om de oriëntatie en koers te bepalen. In het algemeen wordt de term “IMU” gebruikt voor de combinatie van sensor en softwarefusie; deze combinatie wordt ook wel een AHRS (Attitude Heading Reference System) genoemd.
Waar vindt u IMU’s?
Communautaire toepassingen voor IMU’s zijn onder meer het bepalen van de richting in een GPS-systeem, het volgen van bewegingen in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en afstandsbedieningen voor videospelletjes, of het volgen van de hoofdbewegingen van een gebruiker in AR- (augmented reality) en VR-systemen (virtual reality). Deze bewegings- en oriëntatie-informatie is ook van toepassing op het in balans houden van een drone, het verbeteren van de koers van uw robotstofzuiger en andere IoT- en connected home-apparaten.
In industrieel gebruik kunt u IMU’s gebruiken om de positionering van apparatuur zoals antennes uit te lijnen en te meten. IMU’s worden ook gebruikt om vliegtuigen te helpen manoeuvreren, met of zonder een bemande piloot. In het consumentenluchtruim gebruiken sommige entertainmentsystemen in vliegtuigen IMU’s in hun afstandsbedieningen om naast tastgevoel ook toegankelijkheid toe te voegen. Een soortgelijke aanpak is te zien bij LG Smart TV-afstandsbedieningen waarmee gebruikers de gebruikersinterface van de tv kunnen bedienen met een intuïtieve point-and-click-benadering in plaats van met richtingknoppen.
Toekomstige toepassingen zullen waarschijnlijk een nauwere integratie en samensmelting van de IMU met technologieën als GPS (Global Positioning System), RF (Radio Frequency) en LiDAR (Light Detection And Ranging) te zien geven, wat een nauwkeurige lokalisatie van mensen, voertuigen en apparatuur (ook autonome) mogelijk maakt, zowel binnen als buiten.
Hoe werkt een IMU?
Een IMU biedt 2 tot 6 DOF (Degrees of Freedom), waarmee wordt bedoeld het aantal verschillende manieren waarop een object in de 3D-ruimte kan bewegen. Het maximum is 6 DOF, waaronder 3 graden translatie (vlakke) beweging over een recht vlak/langs elke as (voor/achter, rechts/links, omhoog/omlaag) en 3 graden rotatiebeweging over de x-, y- en z-as/om elke as.
De ruwe gegevens die een IMU verzamelt, geven een idee van de wereld om hem heen, maar die informatie kan ook worden verwerkt voor extra inzicht. Sensorfusie is de (wiskundige) kunst om de gegevens van elke sensor in een IMU te combineren tot een completer beeld van de oriëntatie en koers van het apparaat. Bijvoorbeeld, terwijl u kijkt naar gyroscoop informatie voor rotatiebeweging, kunt u een accelerometer gevoel van zwaartekracht integreren om een referentiekader te creëren. U kunt ook informatie over het magnetische veld van de aarde toevoegen om de hele sensor uit te lijnen naar het frame van de aarde.
Trends in IMU Sensors
IMU’s zijn slechts een onderdeel van een grotere sensormarkt waar de laatste tijd veel vraag naar is. Een belangrijke trend die deze groei stimuleert, is de toenemende vraag naar MEMS-apparaten (micro-elektromechanische systemen), die doorgaans 20 micrometer tot 1 mm groot zijn. Het steeds kleiner worden van apparaten zet fabrikanten van componenten onder druk om hun vormfactoren te verkleinen tot microscopische proporties, tussen 1 en 100 micrometer. De sensorindustrie volgt dit voorbeeld en verkleint ook haar vormfactoren.
Naast de fysieke afmetingen zijn er nog een aantal andere trends die de toekomst van sensoren beïnvloeden. De prijsgevoeligheid neemt toe, omdat een groeiend aantal toepassingen de vraag naar goedkopere massaproductie van sensoren stimuleert. Ondertussen daalt de kostprijs van MEMS-traagheidssensoren door de enorme vraag naar sensoren voor smartphones, zodat ze in steeds meer producten worden gebruikt, maar bedrijven lopen nog steeds tegen technische uitdagingen aan bij het daadwerkelijke gebruik ervan.
Efficiëntie wordt in de hele industrie steeds belangrijker, dus het stroomverbruik op componentniveau is een ander groeiend punt van zorg. Tegelijkertijd neemt ook de verwachte bruikbare levensduur van sensoren voor bepaalde toepassingen toe. Een chip die in een industriële automatiseringstoepassing wordt gebruikt, kan bijvoorbeeld tien jaar of langer meegaan, in vergelijking met een chip in een consumentenapparaat, waar een verwachte levensduur van slechts enkele jaren aanvaardbaar is. De eisen die aan de kwaliteit van de sensor en de testomstandigheden worden gesteld, verschillen ook voor consumentenelektronica, auto’s en industriële toepassingen.
3 Belangrijkste typen bewegingsopnemers
- Versnellingsmeter: Het meest gebruikte type bewegingssensor is de versnellingsmeter. Deze meet de versnelling (verandering van snelheid) over een enkele as, zoals wanneer u in uw auto gas geeft of uw telefoon laat vallen. Versnellingsmeters meten de lineaire versnelling in een bepaalde richting. Een versnellingsmeter kan ook worden gebruikt om de zwaartekracht als neerwaartse kracht te meten. Door de versnelling eenmaal te integreren krijg je een schatting voor de snelheid, en door nogmaals te integreren krijg je een schatting voor de positie. Vanwege de dubbele integratie en de stand van de huidige technologie is een versnellingsmeter geen aanbevolen methode om de afstand te schatten.
- Gyroscoop: Terwijl versnellingsmeters lineaire versnelling kunnen meten, kunnen ze geen draaiende of roterende beweging meten. Gyroscopen meten echter de hoeksnelheid om drie assen: pitch (x-as), roll (y-as) en yaw (z-as). Wanneer een gyroscoop wordt geïntegreerd met software voor sensorfusie, kan hij worden gebruikt om de oriëntatie van een object in de 3D-ruimte te bepalen. Hoewel een gyroscoop geen initieel referentiekader heeft (zoals zwaartekracht), kunt u de gegevens combineren met gegevens van een versnellingsmeter om de hoekpositie te meten. Voor een diepgaande blik op de verschillende soorten gyroscopen, zie onze 2e blog getiteld, De toepassing van gyroscopen verkennen.
- Magnetometer: Een magnetometer, zoals de naam al doet vermoeden, meet magnetische velden. Hij kan schommelingen in het magnetisch veld van de aarde detecteren door de magnetische fluxdichtheid van de lucht op het punt van de sensor in de ruimte te meten. Aan de hand van deze schommelingen vindt hij de vector naar het magnetische noorden van de aarde. Dit kan worden gecombineerd met gegevens van de versnellingsmeter en de gyroscoop om de absolute koers te bepalen. Zoals u hebt gezien, worden IMU’s gebruikt om versnelling, hoeksnelheid en magnetische velden te meten, en wanneer ze worden gecombineerd met software voor sensorfusie, kunnen ze worden gebruikt om beweging, oriëntatie en koers te bepalen. Ze worden gebruikt in vele toepassingen in de consumentenelektronica en de industriële sector. In ons volgende blogbericht gaan we dieper in op gyroscopen en waar ze voor worden gebruikt.
Zoals u hebt gezien, worden IMU’s gebruikt om versnelling, hoeksnelheid en magnetische velden te meten, en in combinatie met sensorfusiesoftware kunnen ze worden gebruikt om beweging, oriëntatie en koers te bepalen. Ze worden gebruikt in vele toepassingen in de consumentenelektronica en de industriële sector. In ons volgende blogbericht zullen we dieper ingaan op gyroscopen en waar ze voor worden gebruikt.
Charles Pao
Charles Pao begon bij Hillcrest Labs nadat hij was afgestudeerd aan de Johns Hopkins University met een Master of Science-graad in elektrotechniek. Hij ging aan de slag met softwareontwikkeling en creëerde een black box systeem voor het evalueren van bewegingskarakteristieken. Met een passie voor media en communicatie, begon Charles met het produceren van demo en product video’s voor Hillcrest Labs. Deze passie leidde tot een officiële overplaatsing naar Marketing. Momenteel is hij Hillcrest’s eerste aanspreekpunt voor informatie en ondersteuning en beheert hij hun marketing inspanningen. Hij heeft ook verschillende account- en projectmanagementfuncties bekleed. Charles behaalde ook een Bachelor of Science graad in electrotechniek en computertechniek aan de Johns Hopkins University.
Je vindt dit misschien ook leuk
Meer van Sensor fusion
Achieving accurate motion tracking in consumer portables
Ons leven is getransformeerd door draagbare, verbonden gadgets – het meest voor de hand liggend de smartphone, maar ook een groot aantal andere, …
Eén van de snelst groeiende verticals in consumentenelektronica is de markt voor hoorbare apparaten. Deze on-ear apparaten, variërend van draadloze oordopjes tot …
SLAM en Multi-Sensing Robots: Binnenkort in elk huis
Robotica is voor velen van ons nog steeds een toepassing die meestal beperkt blijft tot de fabrieks- of magazijnvloer. We zien media …