慣性測(cè)量單元的概念和組成
慣性測(cè)量單元(IMU)是在沒(méi)有外部參考的情況下測(cè)量三維線性和角運(yùn)動(dòng)的裝置，即測(cè)量物體的三軸姿態(tài)角(或角速率)和加速度的裝置。下文將介紹慣性測(cè)量的概念以及慣性測(cè)量組合的組成。
慣性測(cè)量概念解釋
一個(gè)慣性測(cè)量裝置是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速度)和加速度的裝置。通常，一個(gè)（供烤肉或煮菜用的）淺炊坑包含三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺儀。加速度計(jì)在獨(dú)立于三個(gè)軸的載體坐標(biāo)系中檢測(cè)物體的加速度信號(hào)。陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間的角速度和加速度，解算物體的姿態(tài)。
為了提高可靠性，還可以為每個(gè)軸配備額外的傳感器。IMU一般安裝在物體的重心上，多用于汽車、機(jī)器人等需要運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備中。它還用于需要精確的姿態(tài)位移投影的應(yīng)用，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備。
慣性測(cè)量組合的組成
IMU由三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺儀組成。想象一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，其x、y和z軸如下圖所示，傳感器能夠測(cè)量每個(gè)軸方向上的線性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是所有IMU的根本出發(fā)點(diǎn)，所有的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是從它開始構(gòu)建的。
1、加速計(jì)
加速度計(jì)利用a=F/M原理測(cè)量加速度，即測(cè)量物體的“慣性力”。在慣性參考系中使用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的線性加速度，但只能測(cè)量相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的加速度(由于加速度計(jì)固定在系統(tǒng)上并隨其旋轉(zhuǎn)，因此不知道自己的方向)。角速度可以通過(guò)求解加速度來(lái)求出，但由于精度不高，用處不大。然而，加速度計(jì)可以幫助陀螺儀解決角度問(wèn)題。
2、陀螺儀
陀螺儀用于測(cè)量慣性參考系中系統(tǒng)的角速率。通過(guò)將角速度與系統(tǒng)在慣性參考系中的初始方位積分作為初始條件，可以隨時(shí)獲得系統(tǒng)的當(dāng)前方位。我們現(xiàn)在在智能手機(jī)中使用的陀螺儀是MEMS技術(shù)的MEMS陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。然而，它的小尺寸、低功耗、易于數(shù)字化和智能化，尤其是低成本，使其成為需要大規(guī)模生產(chǎn)的手機(jī)、汽車牽引控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。
3、地磁場(chǎng)傳感器
磁力計(jì)/地磁場(chǎng)傳感器有一個(gè)共同的名字:電子羅盤。當(dāng)加速度計(jì)完全水平時(shí)，可以預(yù)料，重力傳感器無(wú)法分辨水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度，即無(wú)法顯示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)只有陀螺儀可以檢測(cè)到。
陀螺儀的工作原理是完整的。雖然陀螺儀的動(dòng)態(tài)很快，但是靜態(tài)下會(huì)有累積誤差，也就是說(shuō)角度會(huì)一直增大或者減小。所以我們會(huì)需要一個(gè)可以在水平位置確認(rèn)方位的傳感器，這是現(xiàn)在IMU必須的第三個(gè)傳感器，地磁場(chǎng)傳感器。通過(guò)這三個(gè)傳感器的相互修正，最終可以得到大理論中更精確的姿態(tài)參數(shù)。
4、氣壓傳感器
氣壓傳感器用于檢測(cè)儀器的大氣壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，氣壓傳感器可以用作高度計(jì)。在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，Z軸的動(dòng)態(tài)特性和精度有時(shí)可以通過(guò)增加氣壓計(jì)來(lái)提高。
