三六九轴传感器究竟是什么？让无人机、机器人、VR都离不开它

三六九轴传感器究竟是什么？让无人机、机器人、VR都离不开它

【简介】九轴传感器、九轴体感追踪、传感芯片……越来越多的VR在宣扬“九轴传感器”的概念，这似乎已经成为VR硬件的新标准。 所谓九轴传感器，实际上是三种传感器的组合：3轴加速度传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘（地磁传感器）。 三部分功能各异，相互配合。 它们是手机、平板电脑和游戏机等电子产品中常用的运动传感和跟踪元件。 它们用于各种软件和游戏中的交互控制。

三种类型的传感器

①加速度传感器

加速度传感器测量空间各个方向的加速度。 它利用“重力块”的惯性。 当传感器移动时，“重力块”会产生X、Y、Z方向（前、后、左、右、上、下）的压力，然后利用压电晶体将这种压力转换成电信号，随着运动的变化，各个方向的压力不同，电信号也在变化，从而决定手机的加速方向和速度。 例如，如果您突然向前推动手机，传感器就会知道您正在加速前进。

加速度传感器厂家：精密电子（TE）、苏州明浩（被罗姆收购）、河北美泰（MT）、上海硅锐（QST）、硅创电子（QST）、MCUBE（萨利）等。

②陀螺仪

陀螺仪是一种用于测量角度和保持方向的装置。 在飞行游戏、体育游戏、第一人称射击游戏等游戏中，可以完整监测玩家手部的位移，以实现各种游戏操作效果。 下图是最基本的机械陀螺仪模型。 中间的金色转子在整个仪器运动过程中不受惯性影响，而周围的三个“钢环”会随着设备姿态的改变而发生变化。 通过这种方式来检测设备当前的旋转状态。

事实上，我们手机等电子产品中的陀螺仪并不是这样的。 与加速度传感器一样，它也是一种微电子元件。 它利用科里奥利力，通过旋转系统中连续振动振荡器的运动来改变电路状态，引起相关电气参数的变化，从而反映左右倾斜、前后倾斜和左右摆动等运动情况。 。

什么是科里奥利力？ 假设有一个玩家位于逆时针旋转圆盘中心的 O 点（O 点静止）。 他想把篮球传给站在边缘 A 点的另一名球员。 当他向OA直线方向扔球时，A点的球员会发现篮球向右偏转，最终落在A点。 使用旋转圆盘作为参考系统，篮球似乎被一个力向右偏转。 这种力称为科里奥利力。

陀螺仪厂家：意法半导体（ST）、英美森（）、罗伯特·博世（ Bosch）、模拟器件（ADI）、松下（）、村田制作所（）、精密电子（TE）、索尼、爱普生、申迪半导体（）、水木智芯（）、苏州明浩（）、河北美泰（MT）、上海思锐（QST）、、MCUBE（莎丽）、耐威科技（OEM）等。

③电子罗盘（地磁传感器、地磁计）

利用加速度传感器和陀螺仪，基本上可以描述设备的完整运动状态。 但长期运动，也会产生累积偏差，无法准确描述运动姿势，例如控制屏倾斜。 电子罗盘（地磁传感器）利用地球磁场的测量并通过绝对指向功能进行修正和补偿，可以有效解决累积偏差，从而修正人体的运动方向、姿势角度、运动强度和速度等。 。

地磁传感器厂家：AKM、兰格（ ）、威凯（ ）、迈来芯（ ）、江苏多维科技（ ）、爱知制钢（ ）、苏州明浩、华工科技（OEM）等。

三轴传感器

①三轴陀螺仪

三轴陀螺仪：同时确定6个方向的位置、运动轨迹、加速度。 单轴陀螺仪只能测量两个方向的量，即一个系统需要三个陀螺仪，而一台三轴陀螺仪可以代替三个单轴陀螺仪。

优点：三轴陀螺仪体积小、重量轻、结构简单、可靠性好、更加灵敏、准确。

②三轴加速度计

三轴加速度计的工作原理是基于加速度的基本原理。 加速度是空间矢量。 一方面，要准确了解物体的运动状态，需要测量其三个坐标轴上的分量； 另一方面，没有必要提前。 当物体的运动方向已知时，只需使用三轴加速度传感器即可检测加速度信号。 由于三轴加速度传感器也是基于重力原理，所以三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度倾斜角度或者双轴0-360度。 校正后，后期精度高于双轴加速度传感器且测量角度大于60度的情况。

优点：三轴加速度传感器的优点是，当事先不知道物体的运动方向时，只能用三维加速度传感器来检测加速度信号。 三维加速度传感器具有体积小、重量轻的特点，可以测量空间加速度，能够全面、准确地反映物体的运动特性。

③三轴地磁仪

三轴地磁仪又称电子罗盘，广泛应用于无人机、智能手表、导航设备等领域。 当需要检测物体运动变化时，三轴磁传感器在绝对指向方面发挥着至关重要的作用，保证了稳定飞行、辅助导航等多种功能。 因此，三轴磁传感器的可靠性是这些设备稳定运行的基石。

六轴传感器

六轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计。

六轴传感器厂家：

九轴传感器

九轴传感器通常是指三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴磁力计。 还有六轴加速度传感器+三轴陀螺仪，也有六轴陀螺仪+三轴加速度计。

所谓九轴传感器，实际上是三种传感器的组合：3轴加速度传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘（地磁传感器）。 三部分功能各异，相互配合。 它们是手机、平板电脑和游戏机等电子产品中常用的运动传感和跟踪元件。 它们用于各种软件和游戏中的交互控制。

九轴传感器作为集成传感器模块，减少了电路板和整体空间，更适合在轻量化便携式电子设备和可穿戴产品中使用。 除了设备本身的精度之外，集成传感器的数据精度还涉及到焊接和组装后的校正，以及针对不同应用的匹配算法。 适当的算法可以融合多个传感器的数据，弥补单个传感器计算准确位置和姿态的缺点，从而实现高精度的运动检测。

九轴传感器制造商包括：

映美声：MPU-9255、MPU-9250、MPU-9150...

MPU-9250（三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴磁力计）

MPU-9250 九轴组合传感器，内置陀螺仪+加速度传感器

Inven Sense最新的九轴组合传感器集成了新型三轴陀螺仪并采用单一振动结构，取代了上一代传感器采用三种不同结构的做法。 这种新设计将三轴陀螺仪功能区域的尺寸缩小了40%。 该组件还集成了新型三轴磁传感器，其功能面积也比上一代缩小了约40%。

博世：，……

（三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计）

博世9轴运动传感器“”。 这是一款 9 轴传感器，将 3 个加速度传感器、3 轴角速度传感器和 3 轴地磁传感器集成到一个封装中。 它的尺寸为2.5mm×3.0mm×0.95mm，采用14引脚LGA封装。 适用于安装面积和功耗有限的可穿戴终端和智能手机VR（虚拟现实）应用。

（三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计）

博世九轴组合传感器内部的三轴磁传感器

意法半导体：（六轴陀螺仪+三轴加速度计）……

ST的九轴组合传感器内部加速度传感器+陀螺仪

ST的组合传感器将六轴陀螺仪+加速度传感器组合在单个MEMS芯片上，使得这种六轴功能的尺寸比之前使用两个芯片的解决方案小了30%以上。 该传感器采用玻璃熔接； 但ST也会采用金-金热压接合来密封一些MEMS裸芯片，以消除对密封框架的需要并减少芯片面积。

、Bosch 和 ST 这三个 MEMS 传感器供应商的供应链截然不同。 博世和ST主要依靠自己的晶圆厂进行生产。 博世只委托代工厂生产ASIC元件，而ST则从制造商那里购买磁传感器芯片。 就其而言，它是一家无晶圆厂公司，委托多个不同的代工合作伙伴制造和封装组合传感器。

AKM是Inven Sense的磁传感器芯片供应商，有多家晶圆代工厂为Inven Sense生产六轴加速度传感器+陀螺仪传感器和ASIC。 元器件的封装和测试委托给其他专业的封装和测试工厂。 Inven Sense仅负责传感器的设计和测试。

虽然量产型号基本相差很大，但这三个厂家的九轴IMU成本却很相似； 虽然Inven Sense使用的芯片数量明显较少，但由于其元件生产委托给许多不同的代工厂，因此也会产生一些额外的成本。 以下是三种组合传感器的成本结构。

九轴传感器模组厂家：

（）：9轴惯性模块“系列”，由（如前面介绍的）加上一个3轴磁传感器、一个总体控制MCU（意法半导体基于ARM-M4的STM32）和晶体振荡器组成。 可用于机器人、无人机等多种工业设备。

：9轴运动检测模块“”。 搭载了博世的三轴加速度传感器和三轴磁传感器混合IC“BMC 150”、博世的三轴陀螺仪IC“BMG 160”以及的运动信号处理器IC“”。 模块尺寸仅为17mm×17mm。 采用单面封装，可嵌入多种设备。 可应用于机器人吸尘器、工业机器人、健康设备（理疗）、遥控器和可穿戴设备等。