惯性测量单元

法国S3 IRBM上的惯性导航系统。

IMUs的工作原理之一是检测俯仰、滚转和偏航的变化。

惯性测量单元使用一个或多个加速度计来探测线性加速度，利用一个或多个陀螺仪来测量旋转速率。有些惯性测量单元还包括一个磁力计，其通常用作航向参考。对于三个飞行器轴(俯仰、滚转和偏航)中的每一个轴，典型配置包含一个加速度计、陀螺仪和磁力计。

惯性测量单元通常被结合到惯性导航系统中，此系统利用原始的惯性测量单元测量结果来计算相对于全局参考系的姿态、角速度、线速度和位置。装有惯性测量单元的惯性导航系统是许多商用和军用车辆导航和控制的基础，如载人飞机、导弹、船只、潜艇和卫星。惯性测量单元也是无人驾驶系统(如无人驾驶飞行器、无人驾驶飞行器和无人驾驶飞行器) 制导和控制的重要组成部分。简化版的惯性导航系统，被称为姿态和航向参考系统，其利用惯性测量单元来计算相对于磁北航向的车辆姿态。从惯性测量单元传感器收集的数据允许计算机使用一种被称为航位推算的方法来跟踪飞行器的位置。

在陆地车辆中，惯性测量单元可集成到基于全球定位系统的汽车导航系统或车辆跟踪系统中。这使该系统具有航位推算能力，并能够收集尽可能多关于车辆当前速度、转弯率、航向、倾斜度和加速度的准确数据。这些数据结合车辆的轮速传感器输出和倒车档位信号(如果有的话)，以便用于更好的交通碰撞分析。

除了导航目的，惯性测量单元在许多消费产品中被用作方位传感器。几乎所有智能手机和平板电脑都包含IMU作为方位传感器。健身追踪器和其他可穿戴设备也可能包括惯性测量单元来测量运动，例如跑步。惯性测量单元还能够通过识别与跑步相关的特定参数的特异性和敏感性，来确定运动中个体的发育水平。一些游戏系统，比如Nintendo Wii的遥控器，使用惯性测量单元来测量运动。低成本的惯性测量装置使得消费无人机产业得以扩散发展。它们也经常用于运动技术(技术训练)和动画应用，^[6]是用于运动捕捉技术的一种竞争技术。^[7]惯性测量单元是赛格威（Segway）个人运输车平衡技术的核心。

2.1 在航海中

在导航系统中，惯性测量单元报告的数据被输入处理器，计算姿态、速度和位置。^[8]一种被称为Strap Down Inertial System的典型应用,集成了陀螺仪的角速度来计算角位置。这与卡尔曼滤波器中加速度计测量的重力矢量相融合，来估计姿态。姿态估计用于将加速度测量值转换成惯性参考系(因此称为惯性导航)，在惯性参考系中，对加速度测量值积分一次得到线速度，积分两次得到线性位置。^[9][10][11]

例如，如果惯性测量单元被安装在沿某一方向矢量移动的飞机上，其测量飞机的加速度为5m/s²达1秒钟。那么在这1秒钟之后，制导计算机将推断飞机必须以5米/秒的速度行进，并且必须距其初始位置2.5米(假设v₀=0，并且已知起始位置坐标x₀，y₀，z₀)。如果与机械纸质地图或数字地图档案(其系统输出通常被称为移动地图显示，因为导航系统位置输出通常被用作参考点，从而产生移动地图)相结合，则导航系统可以使用这种方法向飞行员显示飞机在特定时刻的地理位置，其与全球定位系统导航系统一样。尽管外部源仍被用于来校正偏航误差，但该系统不需要与任何外部组件(如卫星或陆地无线电转发器)通信或从其接收通信，并且由于惯性导航系统允许的位置更新频率可能更高，所以地图显示上的车辆运动可以被视为更平滑。这种导航方法被称为航位推算。

其中一种最早的惯性测量单元由福特仪器公司为美国空军设计和建造，用于帮助飞机在没有任何外部输入的飞行中导航。该单元被称为地面位置指示器(Ground-Position Indicator)，一旦飞行员在起飞时输入飞机的经度和纬度，其将向飞行员显示飞机相对于地面的经度和纬度。^[12]

不足之处

使用惯性测量单元进行导航的一个主要缺点是，它们通常会出现累积误差。因为制导系统不断地对加速度进行时间积分来计算速度和位置(见航位推算)，任何测量误差，无论多幺小，都会随着时间积累。这导致“偏航”:系统认为自己所处的位置和实际位置之间的差异不断增加。由于积分，加速度的恒定误差导致速度的线性误差和位置的二次误差增长。姿态率(陀螺仪)的恒定误差导致速度的二次误差和位置的三次误差增长。^[13]

像全球定位系统（GPS）^[14]这样的位置跟踪系统可以用来持续校正偏航误差(卡尔曼滤波器的应用)。

2.2 生物力学

基于微机电系统技术(MEMS)的惯性测量单元的最新发展，使得它们可以用于生物力学领域。事实上，这种惯性测量单元促成了与人体应用兼容的可穿戴、安全、不笨重的设备^[15]。即使人体运动分析的真正黄金标准是光电系统，惯性测量单元在监测日常人体活动(如步态或运动表现)和神经肌肉疾病患者康复过程的结果方面表现出良好的准确性^[16][16][17]。同样地，这里通过使用数字滤波器(即，Mahony、Madgwick或Kalman滤波器)来估计姿态，该数字滤波器结合加速度和角速度(以及最终的局部磁场)的信息来提取传感器的空间位置。在这个框架中，可以通过定位对应于机体各部分的惯性测量单元来估计关节角度。^[15][17]

美国国防部高级研究计划局的微系统技术办公室(MTO)部门正在研究一个Micro-PNT(用于定位、导航和定时的微技术)项目，以设计“定时和惯性测量单元”(TIMU)集成电路，该集成电路利用无需全球定位系统辅助导航的单个芯片，进行绝对位置跟踪。^[18][19][20]

Micro-PNT将高精度的主计时时钟^[21]集成到惯性测量单元 (IMU) 芯片中，使其成为“定时惯性测量单元”(TIMU)芯片。因此，这些用于Micro-PNT的TIMU芯片包含集成的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。TIMU芯片与集成的高精度主计时时钟一起，测量跟踪的运动，并将该运动轨迹与同步时钟的计时器相结合。通过融合传感器，TIMU芯片可以进行绝对位置跟踪，且无需外部发射器或收发器。^[18][19]

根据应用类型的不同，存在各种各样的惯性测量单元，其性能范围如下:^[22]

• 陀螺仪从#0.1°/s到#0.001°/h
• 加速度计从#100 mg到#10 µg。

惯性测量系统(IMU)内部惯性传感器的精度对惯性导航系统(IMS)的性能有影响，其精度可以在[1]中找到。

4.1 传感器误差

假设它们具有适当的测量范围和带宽，陀螺仪和加速度计传感器的表现通常通过基于以下误差的模型来表示:

• 偏移误差:该误差可分为稳定性(传感器保持不变条件下的偏移量)和重复性(被不同环境分开的相似条件下，两次测量之间的误差)
• 比例因子误差:由于非重复性和非线性，导致的一阶灵敏度误差
• 错位误差:由于机械安装不完善
• 横轴灵敏度:沿垂直于传感器轴的轴引发的寄生测量
• 噪声:取决于所需的动态性能
• 环境敏感性:主要是对热梯度和加速度的敏感性

所有这些误差都取决于每种传感器技术特有的各种物理现象。根据目标应用，考虑短期和长期稳定性、重复性和环境敏感性(主要是热环境和机械环境)方面的需求，对选择合适的传感器非常重要。大多数情况下，应用的目标性能比传感器的绝对性能要好。然而，传感器性能在一段时间内是可重复的，或多或少是精确的，因此可以对传感器性能进行评估和补偿以提高其性能。这种实时性能提升，是基于传感器和惯性测量单元模型的。然后根据所需的性能和考虑的应用类型，来选择这些模型的复杂性。定义该模型的能力是传感器和惯性测量单元制造商专有技术的一部分。传感器和惯性测量单元模型在工厂通过使用多轴转台和气候室的专用校准序列进行计算。它们既可以针对单个产品进行计算，也可以针对整个产品进行通用计算。校准通常会将传感器的原始性能提高至少二十年。

高性能惯性测量单元或惯性测量单元，或设计在恶劣条件下工作的，通常由减震器悬挂。这些减震器需要掌握三种效果:

• 减少由于机械环境要求引起的传感器误差
• 保护传感器，因为它们可能被冲击或振动损坏
• 在有限带宽内包含寄生惯性测量单元运动，在这里处理将能够补偿它们。

悬挂式惯性测量单元能够提供非常优异的表现，即使是在恶劣的环境下。然而，为了达到这样的性能，有必要对三种产生的主要行为进行补偿:

• 锥形:是由两个正交旋转引起的寄生效应
• 划桨:是由垂直于旋转的加速度引起的寄生效应
• 离心加速度效应。

减少这些误差往往会促使惯性测量单元的设计者增加处理频率，这让在使用最新的数字技术时变得更加容易。然而，开发能够消除这些误差的算法需要高深的惯性知识，且对传感器或惯性测量单元设计十分熟悉。此外，如果悬架能提高惯性测量单元的性能，它会对尺寸和质量产生副作用。