IMU、陀螺仪、惯性测量单元简介

IMU、陀螺仪、惯性测量单元简介

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/hzp666/article/details/143762728

IMU（惯性测量单元）是测量物体三轴角速度和加速度的设备，广泛应用于机器人、无人机、自动驾驶等领域。本文将为您详细介绍IMU的工作原理、误差模型、传感器选型以及产品调研等多个方面。

一. IMU工作原理

1.1 IMU介绍

IMU（惯性测量单元）是测量物体三轴角速度和加速度的设备。狭义上，一个IMU内在正交的三轴上安装陀螺仪和加速度计，共6个自由度，来测量物体在三维空间的角速度和加速度，这就是我们熟知的"6轴IMU"；广义上，IMU可在加速度计和陀螺仪的基础上加入磁力计，就形成了"9轴IMU"。

• 加速度计：检测载体坐标系统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；
• 磁力计：用卡尔曼或者互补滤波等算法为用户提供拥有绝对参考的俯仰角、横滚角和航向角。

增加了磁力计的9轴传感器又被称为AHRS（航姿参考系统）。因为航向角有地磁场的参考，所以不会漂移，但地磁场很微弱，经常受到周围带磁场物体的干扰。磁场和重力场越正交，则航姿测量效果越好，也就是说如果磁场和重力场平行，比如地磁南北极，AHRS就没法使用。

1.2 加速度计工作原理

加速度计是一种能够测量加速度的传感器。传统机械加工方法制造的加速度计因体积大、质量大、成本高，应用场合受到很大限制。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

加速度计的本质是检测力而非加速度，即加速度计的检测装置捕获的是引起加速度的惯性力，随后可利用牛顿第二定律获得加速度值。测量原理可以用一个简单的质量块、弹簧和指示计来表示。加速度计测量值 a_m = f/m = a - g 为弹簧拉力对应的加速度，f 是弹簧拉力，a 是物体在惯性系统下的加速度，g 是重力加速度。加速度计利用电容或者电阻桥等原理测量a_m 。

加速度计采用“东北天”坐标系（ENU）：g = (0, 0, -9.81)T 。

1.3 陀螺仪的工作原理

当一个质点相对于惯性系做直线运动时，因为质点自身惯性，它相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线。科氏力就是对这种偏移的一种描述，表示为：

即本来直线的运动当放在一个旋转体系中直线轨迹会发生偏移，而实际上直线运动的问题并未受到力的作用，设立这样一个虚拟的力称为科里奥利力。

由此我们在陀螺仪中，选用两块物体，他们处于不断的运动中，并令他们运动的相位相差-180度，即两个质量块运动速度方向相反，而大小相同。它们产生的科氏力相反，从而压迫两块对应的电容板移动，产生电容差分变化。电容的变化正比于旋转角速度。由电容即可得到旋转角度变化。

IMU的测量精度主要由所采用的陀螺仪来决定，所以陀螺仪是导航系统中最核心的部件。一般惯导系统也直接由陀螺仪传感器的类型进行分类。主流惯导系统分为挠性陀螺惯导系统、静电陀螺管道系统、光纤陀螺惯导系统、激光陀螺惯导系统和微机械陀螺惯导系统几大类。

1.4 磁力计工作原理

磁力计是利用地磁场来定北极的一种器件。磁力计能提供装置在XYZ各轴所承受磁场的数据，接着相关数据会汇入微控制器的运算器，以提供磁北极相关的航向角，利用这些信息可侦测地理方位。磁力计是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

上图为一种采用具有晶体结构的合金材料。它们对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致磁阻传感器电阻值发生变化。

二. IMU误差模型

加速度计和陀螺仪的误差可以分为：确定性误差，随机误差。确定性误差可以事先标定确定，包括：bias，scale等。随机误差通常假设噪声服从高斯分布，包括：高斯白噪声，bias随机游走等。

2.1 确定性误差

• Bias：理论上，当没有外部作用时，IMU 传感器的输出应该为0。但是，实际数据存在一个偏置b。加速度计 bias 对位姿估计的影响：V_err=b^t,p_{err}=\frac12b^at^2

• Scale：scale 可以看成是实际数值和传感器输出值之间的比值（电信号到模拟信号，单位不同会通过一个 scale 的转化，这个 scale 会存在误差）。
• 非正交误差： 多轴 IMU 传感器制作的时候，由于制作工艺的问题，会使得xyz轴可能不垂直。

一般情况下，使用六面法标定确定性误差。

2.1.1 六面法标定加速度计

六面法是指将加速度计的 3 个轴分别朝上或者朝下水平放置一段时间，采集 6 个面的数据完成标定。如果各个轴都是正交的，那很容易得到 bias 和 scale：

考虑轴间误差时，实际加速度和测量值之间的关系为：

水平静止放置 6 面时，加速度的理论值为：

对应的测量矩阵L = { l_1 l_2 l_3 l_4 l_5 l_6 } 。最后用最小二乘法把加速度的理论值当中的变量求出来。

2.1.2 六面法标定陀螺仪

和加速度计六面法不同的是，陀螺仪的真实值由高精度转台提供，这里的 6 面是指各个轴顺时针和逆时针旋转。除此之外其他的与六面法标定加速度相似。

2.1.3 温度相关参数的标定

这个标定的主要目的是对传感器估计的 bias 和 scale 进行温度补偿，获取不同温度时 bias 和 scale 的值，绘制成曲线。该标定方法有两种：

• soak method：控制恒温室的温度值，然后读取传感器数值进行标定。
• ramp method：记录一段时间内线性升温和降温时传感器的数据来进行标定。

2.2 随机性误差

• 高斯白噪声： 测量噪声是AD转换器件引起的外部噪声，波动激烈的测量白噪声。
• 随机游走（零偏Bias）：随机游走噪声，是传感器内部机械、温度等各种物理因素产生的传感器内部误差的综合参数，是变化缓慢的bias。

随机性误差常用的Allan方差法进行标定。

2.2.1 Allan标定法

Allan 方差法是 20 世纪 60 年代由美国国家标准局的 David Allan 提出的，是一种基于时域的分析方法。具体的流程如下：

1. 保持传感器绝对静止获取数据 2 小时以上。
2. 对数据进行分段，设定时间段的时长，如下图所示，图中假设一次采样时间为τ_0 ，段长为τ=3τ_0 。
3. 将传感器数据按照时间段进行平均。
4. 计算方差，绘制艾伦曲线。

艾伦曲线：

图中,m = −0.5 与横轴t = 0的交点就是高斯白噪声的不确定性；m = 0.5与横轴t = 3的交点就是bias随机游走的不确定度。

2.2.2 Allan标定工具

（1）imu_utils：imu误差标定
使用教程
（2）kalibr_allan：相机与imu联合标定
使用教程
（3）imu_tk
使用教程

三. 惯性传感器的选型

3.1 性能分类

一般情况惯性传感器分为以下三个性能类别

• 航海级和导航级惯导系统：大型、准确且昂贵
• 战术级和工业级惯性传感器：对于主力应用价值很高
• 汽车级和消费级传感器：商品应用

3.2 陀螺仪的选取

下面介绍几个在陀螺仪选取过程中关注的指标：

• 量程
• 灵敏度
• 封装误差
• 非线性度
• 初始零偏误差
• 零偏稳定性
• 输出噪声
• 线性加速度影响
• 带宽
• 抗振性

选择陀螺仪时，需要考虑将最大误差源最小化。在大多数应用中，振动敏感度是最大的误差源。其它参数可以轻松地通过校准或求取多个传感器的平均值来改善。零偏稳定性是误差预算较小的分量之一。

在理想状态下陀螺仪仅仅只需要测量旋转速率，但在实际的应用中所有的陀螺都有一定的加速度敏感度，加速度敏感度有多种外在表现，最显著的通常是对线加速度（g敏感度）或对振动的敏感度（g2敏感度），由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1g重力场运动和/或在其中旋转，因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。

成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设计，抗振性能未经优化(它优化的是成本)，因而振动可能会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的敏感度也不足为奇，比高性能陀螺仪差10倍以上!对于这种陀螺仪，零偏稳定性的好坏并无多大意义，陀螺仪在地球的重力场中稍有旋转，就会因为敏感度而产生巨大的误差。一般而言，此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。

当然在实际的一些应用中很多人会在器件中增加一个机械抗振件，抗振件的设计也不是一件简单的事，因为它在宽频率范围内的响应并不是平坦的，在低频时尤其差，并且其减震特性会随着温度和使用时间变化。

所以在大部分应用中陀螺仪的选取过程中抗振性是其中非常关键的指标了。

3.3 加速度计的选取

加速度计能测量加速度，倾斜，振动或冲击，因此适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用，市场上有成百上千的加速度计可供选择，其成本和性能各不相同。加速度计目前行业内还没有给出具体的行业界定标准。

在加速度计的选取中要关注的几个参数是：量程，噪声密度，随机游走，运动中的偏置稳定度，带宽这几个参数，和陀螺仪差不多。

• 测量范围(Measurement Range)
• 灵敏度（Sensitivity）
• 0g偏置（0 g OFFSET）
• 噪声（NOISE）
• 输出数据速度和带宽（OUTPUT DATA RATE AND BANDWIDTH）

四. IMU产品调研情况

4.1 芯片

4.1.1 亚德诺半导体(ADI)

• 6轴
• 9轴

4.1.2 意法半导体(ST)

• 6轴
• 9轴

4.1.3 东电化(TDK)

• 6轴
• 9轴

4.1.4 博世(Bosch)

博世的产品中只有6轴IMU，大部分产品使用在给手机或者穿戴设备上。博世推荐BMI090L使用在工业产品上，尤其是在机器人领域使用。realsense d435i使用了BMI055产品，下面对这两款产品参数进行列举：

• BMI090L
• BMI055

4.2 产品

产品级别的IMU一般比芯片级别贵，下面将列举室内机器人领域比较常用的IMU。

4.2.1 LpmsIG1

这款产品是ALUBI公司生产的9轴IMU。它是一款高精度、高稳定性工业级姿态传感器。该产品内嵌一个处理器，通过整合处理陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器数据，并结合公司独有的算法进行矫正和计算，实现高精度的欧拉角和四元数以及原始数据等多种数据输出，可高度满足工业上在机械系统运动或振动信息测量应用中的高精度计算及其它各种性能参数要求。另外，该产品采用工业级防水接头，可提供USB和RS485通信，适应不同的客户需求和严苛的使用环境。另外LpmsIG1P可连接GPS使用。

官方售价2034人民币。

4.2.2 MTi600-seriers

MTi系列是Xsens公司公司推出的工业级惯性传感器，其中MTi600惯性运动传感器还可结合GNSS使用，使得航向测量精确度可达到正负1度。MTi除了标准9轴传感器之外，还配备了气压计。MTi-610 IMU提供完全校准的传感器数据输出，备有多种标准接口方案，现首次支持CAN总线配以RS-232和UART接口。MTi 600系列模组是Xsens首款包含兼容NMEA数据格式的GNSS接收器，让用户可以选用任何规格的GNSS接收器芯片、模组或系统配合MTi-670使用。MTi-670 GNSS/INS设备能提供全球定位信息，为其他MTi 600系列产品的俯仰角、翻滚和航向输出补强。

电话询问MTi630报价为6500元人民币。

4.2.3 OpenIMU300ZI

OpenIMU300ZI是无锡新纳推出的一款9轴imu，它是一个便于使用的高精度9 DOF开放式惯性平台，配有精准3轴加速度计，低漂移3轴陀螺仪和3轴磁力计，并配置带有浮点运算单元的低能耗168MHz ARM M4 CPU。OpenIMU300ZI运行OpenIMU的开源软件栈，配以优化的卡尔曼滤波器，来进行姿态与GPS辅助的PVT （位置-速度-时间）的精准测量。采用基于VS代码的免费工具链，OpenIMU300ZI完美兼容PC, MAC和Ubuntu系统。

它的代码在github进行了开源，官方链接采购网站单个售价1240元人民币。

4.2.4 YIS300系列

YIS300系列集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、三轴磁传感器和微处理器，通过YFusion®多传感融合算法和全温域出厂校准，可以实现0.3度的三维姿态精度，满足机器人、无人车、工程机械、平台稳定等应用的自主运动、控制和导航要求。根据输出信息的不同，YIS300系列分为三个型号：YIS300-U工业级惯性测量单元、YIS300-V和YIS300-A工业级姿态传感器，分别售价为1000、1500和2000元人民币。

为了方便客户对YIS300系列产品进行快速评估，产品有相应的配套开发套件：

• 带Micro USB接口的评估开发板
• 上位机软件Yesense YIS Manager（Windows）
• C例程