可穿戴惯性测量单元的设计与特性分析

英文标题：Design and Characterization of a Wearable Inertial Measurement Unit

作者信息：

• Diego Valdés Tirado
• Gonzalo García Carro
• Juan C. Alvarez *
• Antonio M. López
• Diego Álvarez 以上作者均来自西班牙奥维耶多大学电气、电子、计算机和系统工程系的多传感器系统和机器人学组（SiMuR）。

论文出处：Sensors 2024, 24, 5388; 发表日期为2024年8月21日。

主要内容：

1. 引言： 介绍了惯性测量单元（IMU）作为可穿戴传感器在健康监测、行人航位推算、跌倒检测、手势识别、职业安全和运动表现分析等多种应用中的重要性。随着这些设备在健康护理、体育、康复和人机交互等领域的新应用不断被识别，对高精度惯性传感平台的需求也在增加。市场见证了大量为特定应用设计以实现良好性能的设备，以及通过降低成本以实现广泛使用。预计未来这些设备将需要一种既灵活又经济的设计，使其能够在短期内以高采样率运行，或在长期内以适中的速率运行。文章强调了对这类设备在实际工作条件下（如能耗、存储容量和噪声特性）的度量学特性和性能评估的研究缺口，并提出了一种可穿戴设备的初步设计，重点放在其评估和特性分析上。

2. 材料与方法： 在一系列初步测试后，选择了一款在能耗/性能比方面满足最佳条件的传感器。文章描述了传感器的选择、微控制器的选择以及设备设计，并详细介绍了测试程序，包括采样频率、功耗分析、标准差、漂移、固定偏差、比例因子、功率谱密度和艾伦偏差测试。

1. 结果： 文章展示了可穿戴IMU设备在采样频率、功耗分析、标准差、漂移、固定偏差、比例因子、功率谱密度和艾伦偏差测试方面的表现。结果表明，设备在能效和数据存储方面表现良好，但在传感器连接和电池管理方面需要优化。噪声分析显示，大多数轴的变异性较低，但Z轴的不一致性需要进一步调查。偏差测量显示加速度计的误差较小，而陀螺仪的偏差较大。比例因子测试确认了传感器的可靠性，结果接近理想值。

2. 讨论： 实验表明，采样频率取决于SPI接口和微控制器的处理时间这两个关键因素。虽然与市场上现有的传感器相比，该传感器具有优越的采样能力，但未来的迭代版本可以通过修改这两个方面来优化设备。功耗分析显示，在打开和保存数据到SD卡的过程中功耗峰值最大。通过调整缓冲区大小，可以减少系统访问存储器的次数，从而提高整体能效。功率谱密度（PSD）结果显示，可能由于生产中校准的差异、测试期间环境条件的差异或潜在的测量误差导致的差异。基于这些发现，建议对设计进行三项额外的改进：使用专用的SPI接口连接传感器和控制器，通过SDIO接口连接SD卡；用LDO替换电池管理组件，并使用微控制器进行电池管理；消除SD卡插座以节省空间和成本，同时提高设备的密封性。

3. 结论： 本研究介绍了一种可穿戴IMU设备的设计和特性分析，该设备在健康护理和体育领域具有潜在应用。设备在能效和数据存储方面表现良好，但在传感器连接和电池管理方面需要优化。通过噪声分析，发现大多数轴的变异性较低；然而，Z轴的不一致性需要进一步调查。偏差测量显示加速度计的误差较小，而陀螺仪的偏差较大。比例因子测试确认了传感器的可靠性，结果接近理想值。对于在类似领域工作的研究人员，本研究的发现强调了优化传感器特性以满足特定应用需求的重要性。本研究对噪声、偏差和比例因子的详细评估直接相关于那些有兴趣开发或完善可穿戴IMU的人。随着可穿戴技术市场的持续扩大，未来的研究应该基于这些见解，探索进一步的增强以改善设备的性能和适应性，以适应更广泛的应用范围。