IMU是什么和IMU工作原理

Apr 17,2024
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陀螺仪和加速度计是IMU的主要部件，其精度直接影响惯性系统的精度。在实际工作中，由于各种不可避免的干扰因素，陀螺仪和加速度计会产生误差。从初始对准开始，其导航误差随着时间的推移而增大，尤其是位置误差，这是惯性导航系统的主要缺点。因此，有必要利用外部信息实现组合导航，从而有效减少误差随时间积累的问题。为了提高可靠性，每个轴可以配备更多的传感器。一般来说，IMU应安装在被测物体的重心上。

一般来说，一个IMU包括三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪。加速度计检测物体在载体坐标系中独立三轴的加速度信号，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，并以此计算物体的姿态。它在航海中具有重要的应用价值。

IMU主要用于需要运动控制的设备，如汽车和机器人。它也用于需要精确的姿态位移估计的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备。

高精度稳定控制MEMS IMU

采用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响较大。在运动/振动环境下，输出方向角误差较大。这种磁场传感器有缺点。它的绝对参考点是地磁场的磁力线。地磁的特点是用途广泛，但强度较低，约为高斯的十分之一，很容易受到其他磁体的干扰。如果结合z轴陀螺仪的瞬时角度，可以使系统数据更加稳定。加速度是按重力方向测量的。在没有外力加速度的情况下，能准确输出滚/俯仰两轴姿态角，且该角度不会有累积误差，在较长的时间尺度下是准确的。但是，加速度传感器在测量角度方面的缺点是，加速度传感器实际上是采用MEMS技术来检测惯性力引起的微小变形，而惯性力在本质上与重力相同，因此加速度传感器不会区分重力加速度和外力加速度。当系统在三维空间中变速时，其输出是不正确的

陀螺仪的输出角速度是一个瞬时量，不能直接用于姿态平衡。计算角度需要角速度和时间积分。将得到的角度变化量与初始角度相加，得到目标角度。积分时间DT越小，输出角度越精确。但是陀螺仪的工作原理决定了它的测量基准是自身，在系统之外没有绝对的参考。另外，DT不能无限小，所以积分的累积误差会随着时间的推移迅速增大，导致输出角度与实际不一致，所以陀螺仪只能在较短的时间尺度内工作。

因此，在没有其他参考的基础上，为了获得更真实的姿态角，我们应该利用加权算法扬长避短，结合两者的优点，摒弃各自的缺点，设计一种算法，在短时间尺度上增加陀螺仪的权重，在较长时间尺度上增加速度权重，使系统输出角度接近真实值。

IMU工作原理

IMU是一种捷联惯性导航系统。该系统由三个加速度传感器和三个角速度传感器(陀螺仪)组成。加速度计用于感知飞行器相对于地面垂直线的加速度分量，速度传感器用于感知飞行器的角度信息。该子器件主要由两个a/d转换器ad7716b和64Ke/eprom存储器X25650组成。a/d转换器利用IMU各传感器的模拟变量，将其转换为数字信息，经CPU计算后输出飞俯仰角、倾斜角和侧滑角。e/eprom存储器主要存储各IMU传感器的线性曲线图和各IMU传感器的零件号和序列号。当零件刚启动时，图像处理单元读取e/eprom中的线性曲线参数，为后续角度计算提供初始信息。

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