基于MEMS技术的IMU惯性测量单元的工作原理解析

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，是惯性导航系统的核心装置。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。走第一步时，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：精确性、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最为广泛。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。
来源：传感器专家网