IMU（慣性測量單元）什麼傳感器？影響其性能的主要因素有哪些？

2020-08-30 傳感器專家網

　　IMU,慣性測量單元，是一種使用加速度計和陀螺儀來測量物體三軸姿態角（或角速率）以及加速度的裝置。狹義上，一個IMU 內在正交的三軸上安裝陀螺儀和加速度計，共 6 個自由度，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度，這就是我們熟知的「6軸IMU」；廣義上，IMU可在加速度計和陀螺儀的基礎上加入磁力計，可形成如今已被大眾知曉的「9軸IMU」。

　　其中加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀檢測載體相對於導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，並以此解算出物體的姿態。IMU在導航中的核心價值無可替代，為了提高其可靠性，還可以為每個單軸配備更多種類的傳感器。為保證測量準確性，一般IMU要安裝在被測物體的重心上。

　　影響IMU性能的主要因素：

　　MEMS-IMU主要誤差源

　　將IMU的誤差源歸類後主要有以下四類：

　　（1）加速度計影響因素

　　在IMU中，加速度計對其的影響主要體現在加速度計的精度和穩定性兩個方面。其中加速度計的高精度是為保障後續數據處理的精確性，加速度計的穩定性則是直接影響IMU能否發揮出正常性能的關鍵因素。

　　其中加速度計精度可採用6位置靜態標定法。將IMU器件安裝完畢後，按照下圖的六個位置分別收集三個方向加速度計的數據。

　　（2）陀螺儀影響因素

　　陀螺儀對IMU的影響主要體現在其精確性上，其精確性將直接影響姿態解算的優劣程度，換句話說，最後IMU能否正確感知產品的姿態就是依靠陀螺儀的精確性。

　　陀螺儀誤差模型與加速度計類似，採用的標定方法是動態旋轉的，將IMU置於單軸轉臺中，令每個軸向上、向下，並分別以50°/s、100°/s、150°/s、200°/s、250°/s的轉速轉動正反方向，並收集足夠的數據。

　　除精確性外，MEMS陀螺的性能指標主要有：標度因數（與比例因子互為倒數）、標度因數非線性、零偏、零偏穩定性、零偏重複性。這些指標系統的反映了陀螺儀的性能，因此有必要對其進行相應的測試，掌握其具體的指標參數。

　　（3）溫度影響因素

　　MEMS慣性器件在溫度發生變化時，其精度會產生較大的差異，一般情況下，慣性器件的工作環境不可能是恆溫環境，尤其是陀螺的精度受到嚴重影響，因此溫度的影響不能忽略，以陀螺儀為例，置放慣性器件於恆溫轉臺中試驗，並在不同溫度下收集數據。

　　（4）IMU產品化後主要影響因素

　　A．信噪比低

　　信噪比低會造成使用IMU的產品不敏感，因此最棘手的問題便是降噪。一般此種情況可利用小波降噪，對信號進行消噪實際上是抑制信號中的無用部分，增強信號中的有用部分的過程。

　　慣性器件常用的消噪過程為：a. 信號的小波分解，選擇一個合適的小波並確定分解的層次，然後進行分解計算；b. 小波分解高頻係數的閾值量化，對各個分解尺度下的高頻係數選擇一個閾值進行軟閾值量化處理；c. 小波重構，根據小波分解的最底層低頻係數和各層分解的高頻係數進行一維小波重構。其中最關鍵的是如何選擇閾值以及進行閾值量化處理，它直接關係信號消噪的質量。

　　B．漂移大/延遲大

　　對於信號延遲問題，MEMS的常用器件都有存在，在IMU產品中極為明顯。國外研究機構提出利用慣性誤差旋轉調製技術，來解決延遲問題。慣性誤差旋轉調製技術實質上是一種誤差自補償技術，利用IMU周期性轉動完成對慣性器件慢變誤差的調製，是在現有器件精度的條件下實現更高導航精度的有效方法。採用誤差調製技術的慣性導航系統結構發生了變化，旋轉機構的存在導致陀螺儀和加速度計與載體不再固連，但解算依然採用捷聯算法，因此這種慣性導航系統被稱為旋轉調製型捷聯慣性導航系統。

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