一、概念说明

惯性测量单元是一种测量物体三轴姿态角（或角速度）和加速度的设备。通常，IMU包含三个单轴加速度计和三个单轴线陀螺仪。加速度计在独立于三个轴的载体坐标系中检测物体的加速度信号。陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并求解物体的姿态。

为了提高可靠性，还可以为每个轴配备额外的传感器。通常，IMU安装在物体的重心上，主要用于需要运动控制的设备，如汽车和机器人。它还用于需要带姿态的精确位移投影的应用，例如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备。

惯性测量单元

ⅡIMU的组成

IMU由三个单轴加速度计和三个单轴线陀螺仪组成。

想象一下，如下图所示，笛卡尔坐标系具有x、y和z轴，传感器能够测量每个轴方向上的线性运动以及围绕每个轴的旋转运动。这是所有IMU的基本起点，所有惯性导航系统都是从它开始构建的。

IMU的组成

加速度计

加速度计使用a=F/M原理测量加速度，该原理测量物体的“惯性力”。加速度计在惯性参考系统中用于测量系统的线性加速度，但只能测量相对于系统运动方向的加速度（由于加速度计固定在系统上并随系统旋转，因此它不知道自己的方向）。角速度可以通过求解加速度来找到，但由于精度低，它不是很有用。然而，加速度计可以在角度解决方案中帮助陀螺仪。

陀螺仪

陀螺仪用于测量惯性参考系中系统的角速率。通过将角速率与系统在惯性参考系中的初始方位积分作为初始条件，可以随时获得系统的当前方位。我们现在在智能手机中使用的陀螺仪是一种采用MEMS技术的MEMS陀螺仪，它需要参考其他传感器的数据来实现其功能。然而，它体积小、功耗低、易于数字化和智能化，尤其是成本低，是需要大规模生产的手机、汽车牵引力控制系统和医疗设备的理想选择。

地磁场传感器

磁强计/地磁场传感器有一个共同的名字：电子罗盘。可以预期，当加速度计完全水平时，重力传感器无法区分水平面内的旋转角度，即无法显示绕Z轴的旋转，此时只有陀螺仪才能检测到。

陀螺仪的工作原理是不可或缺的。虽然陀螺仪的动力学非常快，但在静态状态下会有累积的误差，这意味着角度总是会增加或减少。因此，我们需要一个能够确认水平位置方位的传感器，这是IMU所需的第三个传感器，即地磁场传感器。通过这三个传感器的相互校正，我们最终可以在大理论中得到更精确的姿态参数。

空气压力传感器

气压传感器用于检测仪器的大气压力。在实际应用中，气压传感器可以用作高度计。在惯性制导系统中，有时通过添加气压计来增强Z轴的动力学和精度。

目前，市场上可用的IMU主要是6轴和9轴。6轴IMU包含一个3轴加速度计和一个3轴线陀螺仪；9轴IMU有一个额外的3轴磁力计。此外，对于采用MEMS技术的IMU，通常有一个内置温度计用于实时温度校准。

三、工作原理

正如我们所知，由于角动量守恒，陀螺仪在旋转时将保持直立。由于这种现象，陀螺仪可以用来测量或保持方向和角速度。

今天的现代电子设计已经将这些机械知识应用到传感器中。这样的传感器可以使用微机电系统（MEMS）来制造。传感器技术实现传感器融合，将多个传感器和软件解决方案封装到一个单元中。因此，它有助于为信息和通信技术（ICT）、物联网（IoT）和汽车等领域的各种大型行业提供解决方案。半导体制造商校准这些集成解决方案，并利用嵌入式补偿和传感器处理以及简单的可编程接口。

MEMS技术能够将精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器的多轴组合组装到单个设备中。采用这些类型传感器的集成设备通常被称为惯性测量单元（IMU）。IMU是用于测量和报告物体的比力、角速度以及通常的运动方向的电子设备。艾萨克·牛顿（1642-1726/27）将惯性描述为第一运动定律（《自然哲学数学原理》，1687），他是这样说的：“静止的物体将保持静止，运动中的物体将继续运动，除非受到外力的作用。“即使在高度复杂的应用和不断变化的情况下，MEMS技术也可以可靠地检测和处理多自由度（DoF）。

IMU的原理与在黑暗中迈出小步非常相似。在黑暗中，由于对步长的估计与实际距离之间的误差，随着走越来越多的步，估计位置与实际位置之间的差异变得越来越远。当采取第一步时，估计位置和实际位置仍然相对接近；但是随着步数的增加，估计位置和实际位置之间的差异变得越来越大。将其扩展到三维是惯性测量单元的原理。

移动终端IMU

学术表达式是：基于牛顿力学定律，通过测量载体在惯性参考系中的加速度，随着时间的推移进行积分，并将其转换为导航坐标系，我们可以获得导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

值得注意的是，IMU提供相对定位信息。它的作用是测量相对于起始对象移动的路线，因此它不会提供有关您所在的特定位置的信息。因此，它经常与GPS一起使用。当在一些GPS信号较弱的地方，IMU可以发挥作用。它可以让汽车继续获得绝对位置信息。

四、自动驾驶基础-惯性测量单元

当传感器数据丢失时，惯性测量单元（IMU）可以是一种有效的补充。IMU可以测量三维线性加速度和三维角速度。根据这些信息，可以计算车辆的姿态（俯仰角和滚转角）、航向、速度和位置变化。IMU可用于填补GNSS信号更新之间的间隙，甚至可在GNSS和系统中的其他传感器无法执行航向预测时使用。

车内IMU

IMU的主要优点是它可以在所有天气和地理条件下工作。作为一个独立的数据源，它可以用于短期导航和验证来自其他传感器的信息，不会因天气、透镜污染、雷达和激光雷达信号反射或城市峡谷效应而失败。作为一个独立的传感器，IMU被视为一个补充和验证其他传感器（“最后的传感器”）的传感器，以确保车辆安全驾驶，并在其他传感器损坏或故障时以可控的方式停止车辆。

目前市场上所有配备ESC（电子稳定控制）的车辆都已经配备了低精度、低成本的IMU，而高精度的IMU可以满足自动驾驶惯性导航的性能要求，但过去的数千美元阻碍了它们在汽车市场的大规模部署。

幸运的是，正如该行业正在努力降低激光雷达的成本一样，许多公司正在努力将高精度IMU的成本降至100美元以下。

有人说，IMU是自动驾驶系统在定位领域的最后一道防线。这主要有三个原因。

首先，IMU对相对位置和绝对位置的推导没有外部依赖性，是一个类似于黑匣子的完整系统。相比之下，基于GPS的绝对定位取决于卫星信号的覆盖效果，而基于高精度地图的绝对定位则取决于感知质量和算法性能，这些都会受到与天气相关的不确定性的影响。

其次，由于IMU不需要任何外部信号，它可以安装在汽车底盘等非暴露区域，并可以对抗外部电子或机械攻击。相比之下，视觉、激光和毫米波在提供相对或绝对定位时必须接收来自车外的电磁或光信号，这使得它很容易被来自攻击者的电磁或强光信号的干扰所蒙蔽。

最后，IMU对角速度和加速度的测量，加上车轮速度表和方向盘角度等冗余信息之间已经存在一些冗余，这使得其输出的置信水平远高于其他传感器提供的绝对或相对定位结果。

总而言之，IMU以其高置信度、无外部依赖性和强大的抗干扰能力为自动驾驶定位系统提供了最后的安全保障。