基於MEMS技術的IMU慣性測量單元的工作原理解析

2020-11-25 電子發燒友

基於MEMS技術的IMU慣性測量單元的工作原理解析

與非網 發表於 2019-10-04 17:12:00

IMU可獲得載體的姿態、速度和位移等信息，被廣泛用於汽車、機器人領域，也被用於需要用姿態進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機等慣性導航設備中。基於MEMS技術的IMU，以及MEMS慣性傳感器，將是未來發展的重點。

慣性測量單元Inertial measurement unit，簡稱IMU，是測量物體三軸姿態角（或角速率）及加速度的裝置。陀螺儀和加速度計，是慣性導航系統的核心裝置。藉助內置的加速度傳感器和陀螺儀，IMU可測量來自三個方向的線性加速度和旋轉角速率，通過解算可獲得載體的姿態、速度和位移等信息。

IMU模塊

IMU的定義及功能

根據美國IEEE協會正在修訂的P1559號標準，慣性測量單元被定義為「無需外部參考的可測量三維線運動及角運動的裝置」。通常情況下，每套慣性測量裝置包含三組陀螺儀和加速度傳感器，分別測量三個自由度的角加速度和線加速度，通過對加速度的積分和初始速度、位置的疊加運算，得到物體在空間位置中的運動方向和速度，結合慣性導航系統內的運動軌跡設定，對航向和速度進行修正以實現導航功能。

目前來說，市面上存在的IMU以6軸與9軸為主。6軸IMU包含一個三軸加速度傳感器，一個三軸陀螺儀；9軸IMU則多了一個三軸的磁力計。另外，對於採用MEMS技術的IMU，一般還內置有溫度計進行實時的溫度校準。

無論是6軸或9軸IMU，都可實時的輸出三維的角速度信號與加速度信號，以此解算出物體的當前姿態。這在在平臺穩定與導航中有著重要的應用價值。

汽車上的IMU裝置

IMU的廣泛應用

IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上，也被用於需要用姿態進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、飛彈和太空飛行器的慣性導航設備等。與其他導航系統相比， 慣導系統同時具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實時與連續， 且不受時間、地域的限制和人為因素幹擾等重要特性，可在空中、水中、地下等各種環境中正常工作。

例如，IMU的上述優勢，在自動駕駛系統中表現的尤為明顯。在自動駕駛系統中，IMU可作為其他傳感器數據缺失時的有效補充。通過計算車輛的姿態（俯仰角和滾動角）、航向、速度和位置變化，IMU可用於填補GNSS信號更新之間的空白，甚至可在GNSS和系統中的其他傳感器失效時，進行航位推算。因此，作為一個獨立的數據源，IMU可用於短期導航，並驗證來自其他傳感器的信息。

自動駕駛系統中的IMU應用

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，由於自己對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數越來越多時，自己估計的位置與實際的位置相差會越來越遠。走第一步時，估計位置與實際位置還比較接近；但隨著步數增多，估計位置與實際位置的差別越來越大。根據此方法推廣到三維，就是慣性測量單元的原理。

學術上的表述是：以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

慣性傳感器市場

慣性傳感器的發展情況直接決定了慣性導航系統的開發和應用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導航系統的相應參數指標。慣性測量傳感器的發展需要權衡以下幾個因素：精確性、連續性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。

目前，在慣性導航的下遊民用市場，慣性傳感器的應用涵蓋了大地測量、石油鑽井、電子交通、汽車安全、消費電子等領域，其中MEMS慣性傳感器在消費級市場應用領域最為廣泛。同時，體積小、價格低廉的MEMS慣性傳感器和高精度、高性能傳感器，將是未來發展的重點。

集成有IMU的高鐵軌道檢測小車，資料圖

基於MEMS技術的IMU發展趨勢

目前，基於MEMS加工工藝的IMU的技術發展趨勢，主要表現在以下三個方面：

1.向高度集成化方向發展。在民用應用領域，利用表面工藝在單晶片上實現多軸陀螺儀、加速度傳感器、數字處理電路等功能部件、組件的一體集成。

2.向高性能方向發展。進一步改善傳感器、加速度傳感器性能，優化整體結構形式，提高慣性測量裝置的性能和環境適應性。

3.向組合化方向發展。鑑於目前基於MEMS技術的IMU尚處於中低精度，且其導航定位誤差隨時間的累積而增加。因此，IMU通常與其他定位誤差不隨時間累積的導航定位系統，例如GPS、都卜勒雷達、地形匹配等技術相組合，進而實現組合導航，這也其未來的一個重要發展趨勢。

延伸閱讀：ACEINNA公司推出新型慣性測量單元產品

日前，慣性測量技術提供商ACEINNA推出新款OpenIMU300RI慣性測量單元（IMU），堅固耐用、可開源，且內置了九自由度（9-DOF）慣性傳感器技術，可用於自動越野、建築、農業和汽車等。比如，可直接安裝在建築和農用車輛上。

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，甚至還可採用更便宜的處理器。IMU或經過處理的IMU數據，可用於許多應用，例如讓駕駛室保持水平狀態、讓操縱臂回到特定位置、在行駛時保持鏟鬥穩定、為安全應用鎖定控制裝置、補充GNSS數據以讓拖拉機保持行進方向等。
來源：傳感器專家網

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