基于MEMS技術(shù)的IMU慣性測(cè)量單元的工作原理解析

IMU可獲得載體的姿態(tài)、速度和位移等信息，被廣泛用于汽車、機(jī)器人領(lǐng)域，也被用于需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)等慣性導(dǎo)航設(shè)備中。基于MEMS技術(shù)的IMU，以及MEMS慣性傳感器，將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

慣性測(cè)量單元Inertial measurement unit，簡(jiǎn)稱IMU，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置。陀螺儀和加速度計(jì)，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心裝置。借助內(nèi)置的加速度傳感器和陀螺儀，IMU可測(cè)量來(lái)自三個(gè)方向的線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速率，通過(guò)解算可獲得載體的姿態(tài)、速度和位移等信息。

IMU模塊

IMU的定義及功能

根據(jù)美國(guó)IEEE協(xié)會(huì)正在修訂的P1559號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，慣性測(cè)量單元被定義為“無(wú)需外部參考的可測(cè)量三維線運(yùn)動(dòng)及角運(yùn)動(dòng)的裝置”。通常情況下，每套慣性測(cè)量裝置包含三組陀螺儀和加速度傳感器，分別測(cè)量三個(gè)自由度的角加速度和線加速度，通過(guò)對(duì)加速度的積分和初始速度、位置的疊加運(yùn)算，得到物體在空間位置中的運(yùn)動(dòng)方向和速度，結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定，對(duì)航向和速度進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

目前來(lái)說(shuō)，市面上存在的IMU以6軸與9軸為主。6軸IMU包含一個(gè)三軸加速度傳感器，一個(gè)三軸陀螺儀；9軸IMU則多了一個(gè)三軸的磁力計(jì)。另外，對(duì)于采用MEMS技術(shù)的IMU，一般還內(nèi)置有溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度校準(zhǔn)。

無(wú)論是6軸或9軸IMU，都可實(shí)時(shí)的輸出三維的角速度信號(hào)與加速度信號(hào)，以此解算出物體的當(dāng)前姿態(tài)。這在在平臺(tái)穩(wěn)定與導(dǎo)航中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

汽車上的IMU裝置

IMU的廣泛應(yīng)用

IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上，也被用于需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比， 慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實(shí)時(shí)與連續(xù)， 且不受時(shí)間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，可在空中、水中、地下等各種環(huán)境中正常工作。

例如，IMU的上述優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為明顯。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，IMU可作為其他傳感器數(shù)據(jù)缺失時(shí)的有效補(bǔ)充。通過(guò)計(jì)算車輛的姿態(tài)（俯仰角和滾動(dòng)角）、航向、速度和位置變化，IMU可用于填補(bǔ)GNSS信號(hào)更新之間的空白，甚至可在GNSS和系統(tǒng)中的其他傳感器失效時(shí)，進(jìn)行航位推算。因此，作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，IMU可用于短期導(dǎo)航，并驗(yàn)證來(lái)自其他傳感器的信息。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的IMU應(yīng)用

IMU的工作原理

IMU的原理和黑暗中走小碎步很相似。在黑暗中，由于自己對(duì)步長(zhǎng)的估計(jì)和實(shí)際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來(lái)越多時(shí)，自己估計(jì)的位置與實(shí)際的位置相差會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。走第一步時(shí)，估計(jì)位置與實(shí)際位置還比較接近；但隨著步數(shù)增多，估計(jì)位置與實(shí)際位置的差別越來(lái)越大。根據(jù)此方法推廣到三維，就是慣性測(cè)量單元的原理。

學(xué)術(shù)上的表述是：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

慣性傳感器市場(chǎng)

慣性傳感器的發(fā)展情況直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)。慣性測(cè)量傳感器的發(fā)展需要權(quán)衡以下幾個(gè)因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。

目前，在慣性導(dǎo)航的下游民用市場(chǎng)，慣性傳感器的應(yīng)用涵蓋了大地測(cè)量、石油鉆井、電子交通、汽車安全、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，其中MEMS慣性傳感器在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。同時(shí)，體積小、價(jià)格低廉的MEMS慣性傳感器和高精度、高性能傳感器，將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

集成有IMU的高鐵軌道檢測(cè)小車，資料圖

基于MEMS技術(shù)的IMU發(fā)展趨勢(shì)

目前，基于MEMS加工工藝的IMU的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.向高度集成化方向發(fā)展。在民用應(yīng)用領(lǐng)域，利用表面工藝在單芯片上實(shí)現(xiàn)多軸陀螺儀、加速度傳感器、數(shù)字處理電路等功能部件、組件的一體集成。

2.向高性能方向發(fā)展。進(jìn)一步改善傳感器、加速度傳感器性能，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)形式，提高慣性測(cè)量裝置的性能和環(huán)境適應(yīng)性。

3.向組合化方向發(fā)展。鑒于目前基于MEMS技術(shù)的IMU尚處于中低精度，且其導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間的累積而增加。因此，IMU通常與其他定位誤差不隨時(shí)間累積的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，例如GPS、多普勒雷達(dá)、地形匹配等技術(shù)相組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航，這也其未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

延伸閱讀：ACEINNA公司推出新型慣性測(cè)量單元產(chǎn)品

日前，慣性測(cè)量技術(shù)提供商ACEINNA推出新款OpenIMU300RI慣性測(cè)量單元（IMU），堅(jiān)固耐用、可開(kāi)源，且內(nèi)置了九自由度（9-DOF）慣性傳感器技術(shù)，可用于自動(dòng)越野、建筑、農(nóng)業(yè)和汽車等。比如，可直接安裝在建筑和農(nóng)用車輛上。

該IMU可減少總線上的通信，為處理器騰出空間做其他的事情，甚至還可采用更便宜的處理器。IMU或經(jīng)過(guò)處理的IMU數(shù)據(jù)，可用于許多應(yīng)用，例如讓駕駛室保持水平狀態(tài)、讓操縱臂回到特定位置、在行駛時(shí)保持鏟斗穩(wěn)定、為安全應(yīng)用鎖定控制裝置、補(bǔ)充GNSS數(shù)據(jù)以讓拖拉機(jī)保持行進(jìn)方向等。
來(lái)源：傳感器專家網(wǎng)