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一、概念說明

慣性測(cè)量單元是一種測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速度）和加速度的設(shè)備。通常，IMU包含三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸線陀螺儀。加速度計(jì)在獨(dú)立于三個(gè)軸的載體坐標(biāo)系中檢測(cè)物體的加速度信號(hào)。陀螺儀檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并求解物體的姿態(tài)。

為了提高可靠性，還可以為每個(gè)軸配備額外的傳感器。通常，IMU安裝在物體的重心上，主要用于需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人。它還用于需要帶姿態(tài)的精確位移投影的應(yīng)用，例如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備。

慣性測(cè)量單元

ⅡIMU的組成

IMU由三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸線陀螺儀組成。

想象一下，如下圖所示，笛卡爾坐標(biāo)系具有x、y和z軸，傳感器能夠測(cè)量每個(gè)軸方向上的線性運(yùn)動(dòng)以及圍繞每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是所有IMU的基本起點(diǎn)，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是從它開始構(gòu)建的。

IMU的組成

加速度計(jì)

加速度計(jì)使用a=F/M原理測(cè)量加速度，該原理測(cè)量物體的“慣性力”。加速度計(jì)在慣性參考系統(tǒng)中用于測(cè)量系統(tǒng)的線性加速度，但只能測(cè)量相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的加速度（由于加速度計(jì)固定在系統(tǒng)上并隨系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，因此它不知道自己的方向）。角速度可以通過求解加速度來找到，但由于精度低，它不是很有用。然而，加速度計(jì)可以在角度解決方案中幫助陀螺儀。

陀螺儀

陀螺儀用于測(cè)量慣性參考系中系統(tǒng)的角速率。通過將角速率與系統(tǒng)在慣性參考系中的初始方位積分作為初始條件，可以隨時(shí)獲得系統(tǒng)的當(dāng)前方位。我們現(xiàn)在在智能手機(jī)中使用的陀螺儀是一種采用MEMS技術(shù)的MEMS陀螺儀，它需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)其功能。然而，它體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，尤其是成本低，是需要大規(guī)模生產(chǎn)的手機(jī)、汽車牽引力控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。

地磁場(chǎng)傳感器

磁強(qiáng)計(jì)/地磁場(chǎng)傳感器有一個(gè)共同的名字：電子羅盤?？梢灶A(yù)期，當(dāng)加速度計(jì)完全水平時(shí)，重力傳感器無法區(qū)分水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度，即無法顯示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)只有陀螺儀才能檢測(cè)到。

陀螺儀的工作原理是不可或缺的。雖然陀螺儀的動(dòng)力學(xué)非?？?，但在靜態(tài)狀態(tài)下會(huì)有累積的誤差，這意味著角度總是會(huì)增加或減少。因此，我們需要一個(gè)能夠確認(rèn)水平位置方位的傳感器，這是IMU所需的第三個(gè)傳感器，即地磁場(chǎng)傳感器。通過這三個(gè)傳感器的相互校正，我們最終可以在大理論中得到更精確的姿態(tài)參數(shù)。

空氣壓力傳感器

氣壓傳感器用于檢測(cè)儀器的大氣壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，氣壓傳感器可以用作高度計(jì)。在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，有時(shí)通過添加氣壓計(jì)來增強(qiáng)Z軸的動(dòng)力學(xué)和精度。

目前，市場(chǎng)上可用的IMU主要是6軸和9軸。6軸IMU包含一個(gè)3軸加速度計(jì)和一個(gè)3軸線陀螺儀；9軸IMU有一個(gè)額外的3軸磁力計(jì)。此外，對(duì)于采用MEMS技術(shù)的IMU，通常有一個(gè)內(nèi)置溫度計(jì)用于實(shí)時(shí)溫度校準(zhǔn)。

三、工作原理

正如我們所知，由于角動(dòng)量守恒，陀螺儀在旋轉(zhuǎn)時(shí)將保持直立。由于這種現(xiàn)象，陀螺儀可以用來測(cè)量或保持方向和角速度。

今天的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)已經(jīng)將這些機(jī)械知識(shí)應(yīng)用到傳感器中。這樣的傳感器可以使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）來制造。傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器融合，將多個(gè)傳感器和軟件解決方案封裝到一個(gè)單元中。因此，它有助于為信息和通信技術(shù)（ICT）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和汽車等領(lǐng)域的各種大型行業(yè)提供解決方案。半導(dǎo)體制造商校準(zhǔn)這些集成解決方案，并利用嵌入式補(bǔ)償和傳感器處理以及簡(jiǎn)單的可編程接口。

MEMS技術(shù)能夠?qū)⒕芡勇輧x、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力傳感器的多軸組合組裝到單個(gè)設(shè)備中。采用這些類型傳感器的集成設(shè)備通常被稱為慣性測(cè)量單元（IMU）。IMU是用于測(cè)量和報(bào)告物體的比力、角速度以及通常的運(yùn)動(dòng)方向的電子設(shè)備。艾薩克·牛頓（1642-1726/27）將慣性描述為第一運(yùn)動(dòng)定律（《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》，1687），他是這樣說的：“靜止的物體將保持靜止，運(yùn)動(dòng)中的物體將繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，除非受到外力的作用。“即使在高度復(fù)雜的應(yīng)用和不斷變化的情況下，MEMS技術(shù)也可以可靠地檢測(cè)和處理多自由度（DoF）。

IMU的原理與在黑暗中邁出小步非常相似。在黑暗中，由于對(duì)步長(zhǎng)的估計(jì)與實(shí)際距離之間的誤差，隨著走越來越多的步，估計(jì)位置與實(shí)際位置之間的差異變得越來越遠(yuǎn)。當(dāng)采取第一步時(shí)，估計(jì)位置和實(shí)際位置仍然相對(duì)接近；但是隨著步數(shù)的增加，估計(jì)位置和實(shí)際位置之間的差異變得越來越大。將其擴(kuò)展到三維是慣性測(cè)量單元的原理。

移動(dòng)終端IMU

學(xué)術(shù)表達(dá)式是：基于牛頓力學(xué)定律，通過測(cè)量載體在慣性參考系中的加速度，隨著時(shí)間的推移進(jìn)行積分，并將其轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系，我們可以獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

值得注意的是，IMU提供相對(duì)定位信息。它的作用是測(cè)量相對(duì)于起始對(duì)象移動(dòng)的路線，因此它不會(huì)提供有關(guān)您所在的特定位置的信息。因此，它經(jīng)常與GPS一起使用。當(dāng)在一些GPS信號(hào)較弱的地方，IMU可以發(fā)揮作用。它可以讓汽車?yán)^續(xù)獲得絕對(duì)位置信息。

四、自動(dòng)駕駛基礎(chǔ)-慣性測(cè)量單元

當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)丟失時(shí)，慣性測(cè)量單元（IMU）可以是一種有效的補(bǔ)充。IMU可以測(cè)量三維線性加速度和三維角速度。根據(jù)這些信息，可以計(jì)算車輛的姿態(tài)（俯仰角和滾轉(zhuǎn)角）、航向、速度和位置變化。IMU可用于填補(bǔ)GNSS信號(hào)更新之間的間隙，甚至可在GNSS和系統(tǒng)中的其他傳感器無法執(zhí)行航向預(yù)測(cè)時(shí)使用。

車內(nèi)IMU

IMU的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以在所有天氣和地理?xiàng)l件下工作。作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，它可以用于短期導(dǎo)航和驗(yàn)證來自其他傳感器的信息，不會(huì)因天氣、透鏡污染、雷達(dá)和激光雷達(dá)信號(hào)反射或城市峽谷效應(yīng)而失敗。作為一個(gè)獨(dú)立的傳感器，IMU被視為一個(gè)補(bǔ)充和驗(yàn)證其他傳感器（“最后的傳感器”）的傳感器，以確保車輛安全駕駛，并在其他傳感器損壞或故障時(shí)以可控的方式停止車輛。

目前市場(chǎng)上所有配備ESC（電子穩(wěn)定控制）的車輛都已經(jīng)配備了低精度、低成本的IMU，而高精度的IMU可以滿足自動(dòng)駕駛慣性導(dǎo)航的性能要求，但過去的數(shù)千美元阻礙了它們?cè)谄囀袌?chǎng)的大規(guī)模部署。

幸運(yùn)的是，正如該行業(yè)正在努力降低激光雷達(dá)的成本一樣，許多公司正在努力將高精度IMU的成本降至100美元以下。

有人說，IMU是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線。這主要有三個(gè)原因。

首先，IMU對(duì)相對(duì)位置和絕對(duì)位置的推導(dǎo)沒有外部依賴性，是一個(gè)類似于黑匣子的完整系統(tǒng)。相比之下，基于GPS的絕對(duì)定位取決于衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋效果，而基于高精度地圖的絕對(duì)定位則取決于感知質(zhì)量和算法性能，這些都會(huì)受到與天氣相關(guān)的不確定性的影響。

其次，由于IMU不需要任何外部信號(hào)，它可以安裝在汽車底盤等非暴露區(qū)域，并可以對(duì)抗外部電子或機(jī)械攻擊。相比之下，視覺、激光和毫米波在提供相對(duì)或絕對(duì)定位時(shí)必須接收來自車外的電磁或光信號(hào)，這使得它很容易被來自攻擊者的電磁或強(qiáng)光信號(hào)的干擾所蒙蔽。

最后，IMU對(duì)角速度和加速度的測(cè)量，加上車輪速度表和方向盤角度等冗余信息之間已經(jīng)存在一些冗余，這使得其輸出的置信水平遠(yuǎn)高于其他傳感器提供的絕對(duì)或相對(duì)定位結(jié)果。

總而言之，IMU以其高置信度、無外部依賴性和強(qiáng)大的抗干擾能力為自動(dòng)駕駛定位系統(tǒng)提供了最后的安全保障。