IMU惯性测量单元的定义及其使用方法 - CSDN文库

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IMU惯性测量单元的定义及其使用方法惯性测量单元的定义及其使用方法

IMU可获得载体的姿态、速度和位移等信息，被广泛用于汽车、机器人领域，也被用于需要用姿态进行精密位移

推算的场合，如潜艇、飞机等惯性导航设备中。基于MEMS技术的IMU，以及MEMS惯性传感器，将是未来发展

的重点。　　惯性测量单元Inertial measurement unit，简称IMU，是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速

度的装置。陀螺仪和加速度计，是惯性导航系统的装置。借助内置的加速度传感器和陀螺仪，IMU可测量来自三

个方向的线性加速度和旋转角速率，通过解算可获得载体的姿态、速度和位移等信息。　　IMU模块　　IMU

的定义及功能　　根据美国IEEE协会正在修订的P155

　　IMU可获得载体的姿态、速度和位移等信息，被广泛用于汽车、机器人领域，也被用于需要用姿态进行精密位移推算的场

合，如潜艇、飞机等惯性导航设备中。基于MEMS技术的IMU，以及MEMS惯性传感器，将是未来发展的重点。

　　惯性测量单元Inertial measurement unit，简称IMU，是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置。陀螺仪和加

速度计，是惯性导航系统的装置。借助内置的加速度传感器和陀螺仪，IMU可测量来自三个方向的线性加速度和旋转角速率，

通过解算可获得载体的姿态、速度和位移等信息。

　　IMU模块

　　IMU的定义及功能

　　根据美国IEEE协会正在修订的P1559号标准，慣性测量单元被定义为“无需外部参考的可测量三维线运动及角运动的装

置”。通常情况下，每套惯性测量装置包含三组陀螺仪和加速度传感器，分别测量三个自由度的角加速度和线加速度，通过对

加速度的积分和初始速度、位置的叠加运算，得到物体在空间位置中的运动方向和速度，结合惯性导航系统内的运动轨迹设

定，对航向和速度进行修正以实现导航功能。

　　目前来说，市面上存在的IMU以6轴与9轴为主。6轴IMU包含一个三轴加速度传感器，一个三轴陀螺仪；9轴IMU则多了一

个三轴的磁力计。另外，对于采用MEMS技术的IMU，一般还内置有温度计进行实时的温度校准。

　　无论是6轴或9轴IMU，都可实时的输出三维的角速度信号与加速度信号，以此解算出物体的当前姿态。这在在平台稳定与

导航中有着重要的应用价值。

　　汽车上的IMU装置

　　IMU的广泛应用

　　IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上，也被用于需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞

机、导弹和航天器的惯性导航设备等。与其他导航系统相比，惯导系统同时具有信息全面、完全自主、高度隐蔽、信息实时

与连续，且不受时间、地域的限制和人为因素干扰等重要特性，可在空中、水中、地下等各种环境中正常工作。

　　例如，IMU的上述优势，在自动驾驶系统中表现的尤为明显。在自动驾驶系统中，IMU可作为其他传感器数据缺失时的有

效补充。通过计算车辆的姿态（俯仰角和滚动角）、航向、速度和位置变化，IMU可用于填补GNSS信号更新之间的空白，甚

至可在GNSS和系统中的其他传感器失效时，进行航位推算。因此，作为一个独立的数据源，IMU可用于短期导航，并验证来

自其他传感器的信息。

　　自动驾驶系统中的IMU应用

　　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，由于自己对步长的估计和实际走的距离存在误差，走的步数越来越多

时，自己估计的位置与实际的位置相差会越来越远。走步时，估计位置与实际位置还比较接近；但随着步数增多，估计位置与

实际位置的差别越来越大。根据此方法推广到三维，就是惯性测量单元的原理。

　　学术上的表述是：以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导

航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　惯性传感器市场

　　惯性传感器的发展情况直接决定了惯性导航系统的开发和应用，惯性传感器自身的成本、体积和功耗影响了惯性导航系统

的相应参数指标。惯性测量传感器的发展需要权衡以下几个因素：性、连续性、可靠性、成本、体积/重量、功耗。

　　目前，在惯性导航的下游民用市场，惯性传感器的应用涵盖了大地测量、石油钻井、电子交通、汽车安全、消费电子等领

域，其中MEMS惯性传感器在消费级市场应用领域为广泛。同时，体积小、价格低廉的MEMS惯性传感器和高精度、高性能传

感器，将是未来发展的重点。

　　集成有IMU的高铁轨道检测小车，资料图

　　基于MEMS技术的IMU发展趋势

　　目前，基于MEMS加工工艺的IMU的技术发展趋势，主要表现在以下三个方面：

　　1.向高度集成化方向发展。在民用应用领域，利用表面工艺在单芯片上实现多轴陀螺仪、加速度传感器、数字处理电路等

功能部件、组件的一体集成。

　　2.向高性能方向发展。进一步改善传感器、加速度传感器性能，优化整体结构形式，提高惯性测量装置的性能和环境适应

性。

　　3.向组合化方向发展。鉴于目前基于MEMS技术的IMU尚处于中低精度，且其导航定位误差随时间的累积而增加。因

此，IMU通常与其他定位误差不随时间累积的导航定位系统，例如GPS、多普勒雷达、地形匹配等技术相组合，进而实现组合

导航，这也其未来的一个重要发展趋势。

　　延伸阅读：ACEINNA公司推出新型惯性测量单元产品

　　日前，惯性测量技术提供商ACEINNA推出新款OpenIMU300RI惯性测量单元（IMU），坚固耐用、可开源，且内置了九

自由度（9-DOF）惯性传感器技术，可用于自动越野、建筑、农业和汽车等。比如，可直接安装在建筑和农用车辆上。

　　该IMU可减少总线上的通信，为处理器腾出空间做其他的事情，甚至还可采用更便宜的处理器。IMU或经过处理的IMU数

据，可用于许多应用，例如让驾驶室保持水平状态、让操纵臂回到特定位置、在行驶时保持铲斗稳定、为安全应用锁定控制装

置、补充GNSS数据以让拖拉机保持行进方向等。

关键词：测量

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