慣性測量單元的概念和組成
慣性測量單元(IMU)是在沒有外部參考的情況下測量三維線性和角運動的裝置，即測量物體的三軸姿態(tài)角(或角速率)和加速度的裝置。下文將介紹慣性測量的概念以及慣性測量組合的組成。
慣性測量概念解釋
一個慣性測量裝置是測量物體三軸姿態(tài)角(或角速度)和加速度的裝置。通常，一個（供烤肉或煮菜用的）淺炊坑包含三個單軸加速度計和三個單軸陀螺儀。加速度計在獨立于三個軸的載體坐標系中檢測物體的加速度信號。陀螺檢測載體相對于導(dǎo)航坐標系的角速度信號，測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、機器人等需要運動控制的設(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、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備。
慣性測量組合的組成
IMU由三個單軸加速度計和三個單軸陀螺儀組成。想象一個笛卡爾坐標系，其x、y和z軸如下圖所示，傳感器能夠測量每個軸方向上的線性運動，以及圍繞每個軸的旋轉(zhuǎn)運動。這是所有IMU的根本出發(fā)點，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
加速度計利用a=F/M原理測量加速度，即測量物體的“慣性力”。在慣性參考系中使用加速度計來測量系統(tǒng)的線性加速度，但只能測量相對于系統(tǒng)運動方向的加速度(由于加速度計固定在系統(tǒng)上并隨其旋轉(zhuǎn)，因此不知道自己的方向)。角速度可以通過求解加速度來求出，但由于精度不高，用處不大。然而，加速度計可以幫助陀螺儀解決角度問題。
2、陀螺儀
陀螺儀用于測量慣性參考系中系統(tǒng)的角速率。通過將角速度與系統(tǒng)在慣性參考系中的初始方位積分作為初始條件，可以隨時獲得系統(tǒng)的當(dāng)前方位。我們現(xiàn)在在智能手機中使用的陀螺儀是MEMS技術(shù)的MEMS陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)來實現(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、汽車牽引控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。
3、地磁場傳感器
磁力計/地磁場傳感器有一個共同的名字:電子羅盤。當(dāng)加速度計完全水平時，可以預(yù)料，重力傳感器無法分辨水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度，即無法顯示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，此時只有陀螺儀可以檢測到。
陀螺儀的工作原理是完整的。雖然陀螺儀的動態(tài)很快，但是靜態(tài)下會有累積誤差，也就是說角度會一直增大或者減小。所以我們會需要一個可以在水平位置確認方位的傳感器，這是現(xiàn)在IMU必須的第三個傳感器，地磁場傳感器。通過這三個傳感器的相互修正，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儀器的大氣壓力。在實際應(yīng)用中，氣壓傳感器可以用作高度計。在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，Z軸的動態(tài)特性和精度有時可以通過增加氣壓計來提高。
