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IMU惯性测量单元的定义及其应用

日期:2020-02-28 20:16
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摘要:IMU惯性测量单元的定义及其应用: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惯性测量单元的定义及其应用

IMU惯性测量单元可获得载体的姿态、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惯性测量单元,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。 

   

 

Honywell公司的HG1120|HG4930|HGUIDE I300惯性测量单元IMU是基于MEMS的,应用包括农业、工业设备、机器人、稳定平台、测绘、交通运输、水下机器人AUVs、无人机UAVs和无人驾驶地面车辆UGVs。HG4930惯性测量单元IMU具有超小尺寸,重量轻和功耗低等特点,适合绝大部分应用场合。

IMU惯性测量单元可获得载体的姿态、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惯性测量单元,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。

 

Honywell公司的HG1120|HG4930|HGUIDE I300惯性测量单元IMU模块

IMU惯性测量单元的定义及功能

根据美国 IEEE 协会正在修订的 P1559 号标准,IMU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惯性测量单元 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。

 

IMU惯性测量单元的广泛应用

IMU惯性测量单元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**、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惯性测量单元的上述优势,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惯性测量单元应用

 

IMU惯性测量单元的工作原理

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。


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:Honeywell霍尼韦尔公司发布HG1120和HG4930惯性测量单元IMU

 

Honywell公司的HG1120惯性测量单元IMU是基于MEMS的,应用包括农业、工业设备、机器人、稳定平台、测绘、交通运输、水下机器人AUVs、无人机UAVs和无人驾驶地面车辆UGVs。HG1120惯性测量单元IMU具有超小尺寸,重量轻和功耗低等特点,适合绝大部分应用场合。
Honeywell霍尼韦尔公司发布HG1120和HG4930惯性测量单元IMU,HG1120惯性测量单元IMU包含MEMS陀螺仪,加速度传感器和磁场计。


Honeywell霍尼韦尔公司HG1120具有如下优势:

a. 产品结构结实,重量轻,<70g

b. 尺寸小,29 cm³c.陀螺仪时飘小/稳定性高;时飘:*佳可达260 o/hr;稳定性:*佳可达10度/hrd. 加速度测量范围大;测量范围:可达16g


Honeywell霍尼韦尔公司HG4930

Honywell公司的HG4930惯性测量单元IMU是基于MEMS的,应用包括农业、工业设备、机器人、稳定平台、测绘、交通运输、水下机器人AUVs、无人机UAVs和无人驾驶地面车辆UGVs。

HG4930惯性测量单元IMU具有超小尺寸,重量轻和功耗低等特点,适合绝大部分应用场合。HG4930AA51惯性测量单元IMU包含MEMS陀螺仪,加速度传感器和磁场计。


HG4930霍尼韦尔惯性测量单元具有如下优势:

a. 产品结构结实,重量轻;<140 g
b. 尺寸小;<82 cm³
c.陀螺仪时飘小/稳定性高;时飘:*佳可达5 deg/hr; 稳定性:*佳可达0.6 deg/hr

d. 加速度测量范围大;测量范围:可达85g

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