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IMU(慣性測量單元)由加速度計、陀螺儀、磁力計組成，共同實現(xiàn)姿態(tài)檢測與運動追蹤。 ?


	加速度計


	基于牛頓第二定律，通過測量物體在三個方向(X/Y/Z軸)的加速度感知運動狀態(tài)。當物體加速時，內(nèi)部質(zhì)量塊因慣性產(chǎn)生位移或應變，從而計算加速度大小及方向。例如，靜止時測得重力加速度，運動時通過二次積分可估算位移(但存在累積誤差)。 
?


	陀螺儀


	利用陀螺進動原理，通過快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(如飛輪)維持旋轉(zhuǎn)軸方向不變的特性。當外部施加力矩改變方向時，陀螺儀會產(chǎn)生與施力成正比的進動角速度，從而測量旋轉(zhuǎn)角度變化。 
?


	磁力計


	通過測量地球磁場強度及方向變化，提供磁場朝向信息。在復雜環(huán)境中(如高樓、隧道)，可校正因磁干擾導致的姿態(tài)偏差，提升導航精度。 ?


	數(shù)據(jù)融合


	通常采用卡爾曼濾波或互補濾波算法，結合三者的數(shù)據(jù)消除誤差：


	陀螺儀積分角速度得到角度變化;


	加速度計校正重力方向偏差;


	磁力計修正磁場干擾導致的偏航誤差。


	IMU：Inertial Measurement Unit，即慣性測量單元。它是由三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁力計等多種<a href="/tags/傳感器" target="_blank">傳感器</a>組成的模塊。


	IMU在無人駕駛汽車、無人機上面應用的比較多，包括手機等很多電子設備也有IMU傳感器的存在。


	下面就來講講IMU中三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁力計的工作原理。


	1、三軸加速度計


	三軸加速度傳感器是基于加速度的基本原理去實現(xiàn)工作。


	1.測量比力 
三軸加速度計是一種慣性傳感器，能夠測量物體的比力，即去掉重力后的整體加速度或者單位質(zhì)量上作用的非引力。當加速度計保持靜止時，加速度計能夠感知重力加速度，而整體加速度為零。在自由落體運動中，整體加速度就是重力加速度，但加速度計內(nèi)部處于失重狀態(tài)，而此時三軸加速度計輸出為零。


	2.測量角度


	三軸加速度計的原理能夠用來測量角度。直觀地，如圖所示，彈簧壓縮量由加速度計與地面的角度決定。比力能夠通過彈簧壓縮長度來測量。因此在沒有外力作用的情況下，加速度計能夠精確地測量俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，且沒有累積誤差。


	MEMS三軸加速度計是采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的比力(壓力或者位移)分別正比于電阻、電壓和電容的變化。這些變化可以通過相應的放大和濾波電路進行采集。該傳感器的缺點是受振動影響較大。


	介于其測量角度的工作原理三軸加速度計無法測量偏航角：


	可測量俯仰角和橫滾角：


	2、三軸陀螺儀


	三軸陀螺儀是慣性導航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測量精度直接影響慣導系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準確性。


	作用：用于測量單元中的角速度及對角速度積分后角度的計算


	原理：理解三軸陀螺儀的原理首先要知道科里奧利力


	科里奧利力 科里奧利力(Coriolis 
force)有些地方也稱作哥里奧利力，簡稱為科氏力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述?？评飱W利力來自于物體運動所具有的慣性。 
---來自百度百科


	當一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時，因為質(zhì)點自身慣性，它相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線?？剖狭褪菍@種偏移的一種描述，表示為：


	即本來直線的運動當放在一個旋轉(zhuǎn)體系中直線軌跡會發(fā)生偏移，而實際上并直線運動的問題并未受到力的作用，設立這樣一個虛擬的力稱為科里奧利力。


	由此我們在陀螺儀中，選用兩塊物體，他們處于不斷的運動中，并令他們運動的相位相差-180度，即兩個質(zhì)量塊運動速度方向相反，而大小相同。它們產(chǎn)生的科氏力相反，從而壓迫兩塊對應的電容板移動，產(chǎn)生電容差分變化。電容的變化正比于旋轉(zhuǎn)角速度。由電容即可得到旋轉(zhuǎn)角度變化。


	3、三軸磁力計


	磁力計能提供裝置在XYZ各軸所承受磁場的數(shù)據(jù)，接著相關數(shù)據(jù)會匯入微控制器的運算法，以提供磁北極相關的航向角，利用這些信息可偵測地理方位。


	磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。


	在當今科技日新月異的時代，慣性測量單元/慣性導航器件(IMU)已成為眾多領域不可或缺的核芯部件。無論是熱衷于技術的愛好者，還是專注于機器人、航空航天或虛擬現(xiàn)實等領域的專業(yè)人士，深入理解IMU的工作原理都顯得尤為重要。本文將引領讀者走進IMU的復雜世界，詳細剖析其工作原理，并探討IMU在各種應用中的實際作用。我們將深入剖析IMU的各個組成部分，包括加速度計、陀螺儀和磁力計等傳感器，揭示它們在協(xié)同工作中如何實現(xiàn)對物體方向、速度和位置的高精度測量。


	慣性測量單元(IMU)是一種集成了多種傳感器的設備，能夠精確測量和報告物體的姿態(tài)(包括滾動、俯仰和偏航)、速度以及高度變化。它是飛機、無人機、導彈以及衛(wèi)星等慣性導航系統(tǒng)中的核心部件。由于慣性導航系統(tǒng)完全依賴于平臺內(nèi)部傳感器，不依賴外部輸入如全球定位系統(tǒng)(GNSS)，因此具有很高的安全性，不易受到篡改或黑客攻擊。在IMU的幫助下，計算機能夠處理收集到的數(shù)據(jù)，通過速度和時間計算來得出當前位置，從而實現(xiàn)航位推算。早期的IMU主要由加速度計和陀螺儀組成，前者負責測量慣性加速度，后者則測量角速度。這兩種傳感器都具有三個自由度，可以從三個不同的軸向上進行精確測量。隨著技術的發(fā)展，磁力計被引入IMU中，它能夠測量磁力方向并協(xié)助改進陀螺儀的測量結果。


	基于MEMS的慣性測量單元(IMU)憑借其小巧的尺寸、低功耗特性以及成本優(yōu)勢，在移動手機和游戲設備等消費電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。這類IMU主要用于運動檢測、虛擬增強現(xiàn)實、光學和電子圖像穩(wěn)定檢測等領域。近年來，隨著MEMS消費慣性傳感器性能的持續(xù)提升，更多新穎且富有創(chuàng)意的應用得以實現(xiàn)。


	目前，超緊湊型的消費類IMU能夠在短時間內(nèi)(約幾秒鐘)實現(xiàn)位置和方向的跟蹤，但尚不適用于獨立導航，如幾分鐘到幾小時的導航需求。由于其誤差積累較快，在GPS或其他定位源暫時無法使用或中斷時，這類IMU可與磁力計、高度計及其他傳感器結合，作為短期的備用定位系統(tǒng)。


	02


	慣性導航


	慣性導航，一種通過慣性測量單元(IMU)的測量值來追蹤物體絕對位置與方向的技術，具有顯著的獨立性。它不受外部信號源的影響，這一特性使其在飛機、導彈、艦船、潛艇以及航天器的導航中發(fā)揮著關鍵作用。隨著MEMS制造技術的飛速發(fā)展，如今已能制造出小型且低功耗的慣性導航系統(tǒng)，這些系統(tǒng)正迅速融入小型無人機(UAV)和小型自主水下航行器(AUV)等微型平臺的導航之中。


	一般來說，IMU內(nèi)部包含了至少三個陀螺儀和三個加速度計，這些傳感器沿三個相互垂直的軸線進行定向，從而能夠在三維空間中獲取方向和位置信息。陀螺儀主要負責提供關于滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航率或角度的詳細數(shù)據(jù)。而加速度計則負責捕捉沿x、y和z軸的加速度變化。通過綜合分析這些傳感器提供的信號，可以實現(xiàn)對物體位置和方向的精準追蹤。


	陀螺儀所提供的測量值對于確定物體在導航中的姿態(tài)和方向至關重要。這些姿態(tài)信息可以通過多種方法進行定義，例如采用方向余弦法，而方向余弦矩陣則負責將加速度計的測量結果準確地投影到慣性參考系中。


	03


	慣性測量單元


	慣性測量單元(IMU)是慣性導航系統(tǒng)的核心，它集成了陀螺儀和加速度計。這兩種傳感器根據(jù)其偏置穩(wěn)定性規(guī)格被劃分為不同的性能類別。陀螺儀的性能類別包括戰(zhàn)略級(0.0001度/小時)、導航級(0.005-0.01度/小時)、戰(zhàn)術級(0.1-1.5度/小時)和消費級(10-1000度/小時)。而加速度計則分為戰(zhàn)略級(1μg)、導航級(0.01-0.1 
mg)、戰(zhàn)術級(0.1-1 mg)和消費級(> 1mg)。


	戰(zhàn)略級IMU是市場上性能最高的系統(tǒng)，它們廣泛應用于艦艇、潛艇、戰(zhàn)略導彈，以及需要姿態(tài)控制和軌道校正的航天器中。然而，由于這類IMU系統(tǒng)需要達到超高精度，其成本往往超過100萬美元，例如采用基于半球諧振陀螺儀(HRG)技術的系統(tǒng)。


	導航級IMU的性能雖稍遜于戰(zhàn)略系統(tǒng)，卻廣泛應用于商用和軍用飛機，其漂移速度通?？刂圃诿啃r1.5公里以內(nèi)。這類系統(tǒng)的價格大約在10萬美元左右，例如霍尼韋爾的HG9900 
IMU，集成了激光陀螺儀和石英加速度計。


	戰(zhàn)術級IMU則主要應用于中段導彈制導、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)(AHRS)以及無人駕駛飛行器(uav)等領域，其漂移速度大約為每分鐘5米。這類系統(tǒng)的成本相對親民，約為1000美元。諾斯羅普·格魯曼公司的LN-200就是一個典型的例子，它配備了三個固態(tài)光纖陀螺儀和三個固態(tài)硅MEMS加速度計。


	而消費級IMU，作為最低等級的IMU，雖然位置誤差在幾秒鐘內(nèi)可能超過10米，精度不足以支持自包含慣性導航，但它們在智能手機、平板電腦、游戲平臺、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)和活動檢測設備等領域卻有著廣泛的應用。


	IMU的性能等級與其獨立無輔助導航的能力密切相關。隨著性能等級的降低，IMU在無輔助狀態(tài)下能夠維持導航的時間也會相應縮短。例如，消費級IMU可能在幾秒鐘內(nèi)就出現(xiàn)10米的位置誤差，而導航級和戰(zhàn)略級IMU則能在幾分鐘甚至幾小時的無輔助導航中，依然保持GPS級別的位置精度，即位置誤差小于10米。


	在戰(zhàn)術級性能方面，IMU的噪聲密度指標至關重要，它直接影響到IMU在獨立無輔助導航中的表現(xiàn)。隨著IMU性能等級的降低，其可用于無輔助導航的時間也會相應縮短。


	的加速度計和ARW指標均達到理想水平。


	的陀螺儀性能也相當出色。然而，當前市場上多數(shù)戰(zhàn)術級高性能設備的IMU模塊存在體積龐大(100-470cm^3)和成本高昂(幾千美元)的問題。


	另一方面，消費級IMU的體積通常小于10mm^3，且成本控制在5美元以下。在這樣的小巧尺寸和親民價格的背景下，要達到戰(zhàn)術級性能仍面臨不小的挑戰(zhàn)。目前，實現(xiàn)MEMS 
IMU的方法可概括為兩大類：傳感器分離組裝與片上IMU集成。


	04 片上IMU


	片上IMU，即在單芯片上集成的多軸或單軸傳感器，已成為實現(xiàn)小型化IMU的一種有效方法。借助這一技術，眾多消費級IMU產(chǎn)品應運而生，它們的體積均小于10mm^3，例如Fairchild的微型多軸IMU、ST 
Micro的iNEMO慣性模塊，以及InvenSense和Bosch的6軸IMU。這些片上IMU可進一步細分為兩大類：單基板上的多單軸片上傳感器和多軸“一體化”傳感器。在多單軸片上傳感器的實現(xiàn)過程中，關鍵在于在同一襯底上制造或集成面內(nèi)和面外傳感器。盡管這種方法在尺寸上更為緊湊，但不同設備在性能上的需求往往相互沖突，因此需要在某些方面做出妥協(xié)。例如，在實現(xiàn)與z軸傳感器共存時，X軸和y軸陀螺儀的面外檢測模式可能導致正交誤差的增加。


	2. 多軸“一體化”傳感器


	在“一體化”傳感器中，單個機械元件被設計成能夠測量多個方向的旋轉(zhuǎn)或加速度。例如，意法半導體的三軸陀螺儀通過單一驅(qū)動結構與多向感測技術，實現(xiàn)對圍繞三個正交軸旋轉(zhuǎn)的跟蹤。為了獲取6自由度的位置和方向數(shù)據(jù)，這類傳感器通常與3軸加速度計結合，如ST微電子的LSM330DLC 
iNEMO慣性模塊、Fairchild fis1100 IMU，以及博世BMI055 6軸慣性傳感器。此類“一體化”<a href="/tags/傳感器" target="_blank">傳感器</a>以其小巧的體積(<10 
mm^3)著稱。但需注意的是，當單個結構元件需承擔多方向測量任務時，敏感軸之間的串擾問題便可能浮現(xiàn)，這無疑是一項技術上的挑戰(zhàn)。

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