IMU可獲得載體的姿態(tài)、速度和位移等信息，被廣泛用于汽車、機器人領(lǐng)域，也被用于需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機等慣性導(dǎo)航設(shè)備中?；贛EMS技術(shù)的IMU，以及MEMS慣性傳感器，將是未來發(fā)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(tài)角(或角速率)及加速度的裝置。陀螺儀和加速度計，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心裝置。借助內(nèi)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(zhuǎn)角速率，通過解算可獲得載體的姿態(tài)、速度和位移等信息。

IMU模塊

IMU的定義及功能

根據(jù)美國IEEE協(xié)會正在修訂的P1559號標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的運動軌跡設(shè)定，對航向和速度進行修正以實現(xiàn)導(dǎo)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，對于采用MEMS技術(shù)的IMU，一般還內(nèi)置有溫度計進行實時的溫度校準(zhǔn)。

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(dāng)前姿態(tài)。這在在平臺穩(wěn)定與導(dǎo)航中有著重要的應(yīng)用價值。

汽車上的IMU裝置

IMU的廣泛應(yīng)用

IMU大多用在需要進行運動控制的設(shè)備，如汽車和機器人上，也被用于需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比， 慣導(dǎo)系統(tǒng)同時具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實時與連續(xù)， 且不受時間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，可在空中、水中、地下等各種環(huán)境中正常工作。

例如，IMU的上述優(yōu)勢，在自動駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為明顯。在自動駕駛系統(tǒng)中，IMU可作為其他傳感器數(shù)據(jù)缺失時的有效補充。通過計算車輛的姿態(tài)(俯仰角和滾動角)、航向、速度和位置變化，IMU可用于填補GNSS信號更新之間的空白，甚至可在GNSS和系統(tǒng)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(shù)據(jù)源，IMU可用于短期導(dǎo)航，并驗證來自其他傳感器的信息。

自動駕駛系統(tǒng)中的IMU應(yīng)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，由于自己對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數(shù)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(yuǎn)。走第一步時，估計位置與實際位置還比較接近;但隨著步數(shù)增多，估計位置與實際位置的差別越來越大。根據(jù)此方法推廣到三維，就是慣性測量單元的原理。

學(xué)術(shù)上的表述是：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，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(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)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(fā)展情況直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，慣性傳感器自身的成本、體積和功耗影響了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)。慣性測量傳感器的發(fā)展需要權(quán)衡以下幾個因素：精確性、連續(xù)性、可靠性、成本、體積/重量、功耗。

目前，在慣性導(dǎo)航的下游民用市場，慣性傳感器的應(yīng)用涵蓋了大地測量、石油鉆井、電子交通、汽車安全、消費電子等領(lǐng)域，其中MEMS慣性傳感器在消費級市場應(yīng)用領(lǐng)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(fā)展的重點。

集成有IMU的高鐵軌道檢測小車，資料圖

基于MEMS技術(shù)的IMU發(fā)展趨勢

目前，基于MEMS加工工藝的IMU的技術(shù)發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1.向高度集成化方向發(fā)展。在民用應(yīng)用領(lǐng)域，利用表面工藝在單芯片上實現(xiàn)多軸陀螺儀、加速度傳感器、數(shù)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(fā)展。進一步改善傳感器、加速度傳感器性能，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)形式，提高慣性測量裝置的性能和環(huán)境適應(yīng)性。

3.向組合化方向發(fā)展。鑒于目前基于MEMS技術(shù)的IMU尚處于中低精度，且其導(dǎo)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(dǎo)航定位系統(tǒng)，例如GPS、多普勒雷達(dá)、地形匹配等技術(shù)相組合，進而實現(xiàn)組合導(dǎo)航，這也其未來的一個重要發(fā)展趨勢。

延伸閱讀：ACEINNA公司推出新型慣性測量單元產(chǎn)品

日前，慣性測量技術(shù)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(nèi)置了九自由度(9-DOF)慣性傳感器技術(shù)，可用于自動越野、建筑、農(nóng)業(yè)和汽車等。比如，可直接安裝在建筑和農(nóng)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，甚至還可采用更便宜的處理器。IMU或經(jīng)過處理的IMU數(shù)據(jù)，可用于許多應(yīng)用，例如讓駕駛室保持水平狀態(tài)、讓操縱臂回到特定位置、在行駛時保持鏟斗穩(wěn)定、為安全應(yīng)用鎖定控制裝置、補充GNSS數(shù)據(jù)以讓拖拉機保持行進方向等。