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IMU：應(yīng)用廣泛的位置傳感單元

IMU（Inertial Measuring Unit，慣性測(cè)量單元）是一種能夠測(cè)量物體在三個(gè)正交方向的加速度和角加速度的裝置?；?IMU 采集的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步處理從而獲得物體的速度和位移等位置信息。

IMU 的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，導(dǎo)航為前景廣闊的重要場(chǎng)景之一。高性能 IMU 應(yīng)用逐漸拓展到無(wú)人系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛、高端工業(yè)、高可靠等領(lǐng)域，而中低性能 IMU 主要應(yīng)用于消費(fèi)電子和汽車等領(lǐng)域。其中，伴隨著無(wú)人系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展，導(dǎo)航已成為前景最為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

以自動(dòng)駕駛為例，現(xiàn)在通常的車載慣性傳感器組件可以測(cè)量某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而慣性測(cè)量單元（IMU）作為一個(gè)嵌入了三軸線性加速度計(jì)和三軸角速度陀螺儀的模塊，可測(cè)量六個(gè)自由度（“6 DOF 或六軸”）。通過(guò)組成六軸結(jié)構(gòu)的線性運(yùn)動(dòng) （三維空間）和旋轉(zhuǎn)測(cè)量組件（滾動(dòng)，俯仰和偏航），IMU 能夠捕獲車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的全部分量。IMU 不僅僅可用于安全氣囊和車輛穩(wěn)定性控制，并且可以實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算車輛的位置和方向。因此，IMU 通過(guò)精確校準(zhǔn)消除溫度和偏差漂移后，結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)車輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且不需要任何輔助。更先進(jìn)的系統(tǒng)會(huì)融合車輪速度和角度信息，以輔助卡爾曼濾波器定位估計(jì)，進(jìn)一步提高定位精度。
IMU 可以驗(yàn)證 RTK GPS 結(jié)果的自洽性，并對(duì)無(wú)法自洽的絕對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和修正，還可以在 RTK GPS 信號(hào)消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級(jí)定位精度，為自動(dòng)駕駛汽車爭(zhēng)取寶貴的異常處理的時(shí)間。同樣的道理，IMU 也可以在相對(duì)定位失效時(shí)，對(duì)相對(duì)定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)定位的精度；例如，在車道線識(shí)別模塊失效時(shí)，基于失效前感知到的道路信息和 IMU 對(duì)汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

對(duì)于平衡感知和動(dòng)作靈敏度要求較高的機(jī)器人而言，IMU 模塊更是核心組成之一。以RH5 機(jī)器人為例，其配有多種傳感器：IMU（慣性測(cè)量單元）、關(guān)節(jié)編碼器、力扭矩傳感器、足部接觸傳感器和立體聲攝像機(jī)，其中本體感覺(jué)狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)由 IMU 傳感器、關(guān)節(jié)編碼器和足部接觸傳感器組成。外部運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)由 3 臺(tái)連接到計(jì)算機(jī)的攝像機(jī)組成，用于跟蹤機(jī)器人 IMU 框架上的反射標(biāo)記，為全身控制器提供準(zhǔn)確快速的狀態(tài)反饋，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，檢索人形浮動(dòng)基的姿態(tài)，與基于 IMU 數(shù)據(jù)的本體感覺(jué)狀態(tài)估計(jì)方法進(jìn)行直接比較。

慣性導(dǎo)航不易受外界干擾、短時(shí)精度高

導(dǎo)航是指引物體從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方的過(guò)程。導(dǎo)航技術(shù)通常包括定位、與已知位置比較兩個(gè)環(huán)節(jié)。在古代，天體導(dǎo)航技術(shù)即基于太陽(yáng)、月球、行星和導(dǎo)航星的位置來(lái)確定當(dāng)前所處的位置。現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)主要包括無(wú)線電導(dǎo)航、雷達(dá)導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等多個(gè)類別。
無(wú)線電導(dǎo)航：利用電磁波波速恒定的特性，通過(guò)陸基無(wú)線電波的接收、發(fā)射和處理來(lái)測(cè)量所在載體相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方向、距離、速度等導(dǎo)航參量。經(jīng)典的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)有Loran-A、Loran-C 和 Omega 等。

雷達(dá)導(dǎo)航：向物標(biāo)反射器主動(dòng)發(fā)射脈沖電波，并接收、放大反射波，經(jīng)檢波后作為圖像信號(hào)顯示。通過(guò)物標(biāo)的方位和距離測(cè)定雷達(dá)位置并進(jìn)行導(dǎo)航。
衛(wèi)星導(dǎo)航：通過(guò)接收和處理導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，從而對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航的技術(shù)。依據(jù)星座的不同，衛(wèi)星導(dǎo)航可分為 GPS 導(dǎo)航、北斗星導(dǎo)航等。
慣性導(dǎo)航：通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系下的角速度和加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的技術(shù)。

慣性導(dǎo)航具有不易受外界干擾、短時(shí)精度高等優(yōu)點(diǎn)。相較于無(wú)線電導(dǎo)航和雷達(dá)導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航的應(yīng)用限制較少，應(yīng)用范圍更廣。與衛(wèi)星導(dǎo)航相比，慣性導(dǎo)航可額外提供姿態(tài)信息。同時(shí)，慣性導(dǎo)航可以進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)工作，其數(shù)據(jù)的更新頻率快、短時(shí)精度高。

加速度計(jì)和陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心

慣性導(dǎo)航的基本工作原理是利用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載體在慣性參考系下的角速度和加速度，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分以計(jì)算載體的速度和位移，從而得到相對(duì)于最初位置的移動(dòng)距離和移動(dòng)方向。

根據(jù)構(gòu)建導(dǎo)航坐標(biāo)系方法的不同，慣性導(dǎo)航分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航是采用物理平臺(tái)模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)，以物理平臺(tái)跟蹤解算所需的導(dǎo)航坐標(biāo)系。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是將加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝于載體，以加速度計(jì)和陀螺儀采集的數(shù)據(jù)直接求解位置信息。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航具有體積、成本和可靠性的優(yōu)勢(shì)，已成為慣導(dǎo)的發(fā)展方向。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航雖然對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的精度、算力提出了更高的要求，但無(wú)需復(fù)雜機(jī)電平臺(tái)，因而在體積、成本和可靠性等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。自上世紀(jì) 80 年代以來(lái)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航已成為重要的發(fā)展方向。

MEMS 慣導(dǎo)有望在民用市場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用

根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀類型不同，IMU 慣導(dǎo)可分為多種類型。其中，MEMS 慣導(dǎo)體積小、成本低，有望在民用市場(chǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。
MEMS 加速度計(jì)為目前較為先進(jìn)的類型之一

加速度計(jì)是基于牛頓第二定律感知物體線加速度的傳感器，可通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量計(jì)算出加速度值。加速度計(jì)種類較多，目前應(yīng)用較廣的類型有液浮擺式加速度計(jì)、撓性擺式加速度計(jì)、石英振梁加速度計(jì)和 MEMS 加速度計(jì)等。液浮擺式加速度計(jì)、撓性加速度計(jì)技術(shù)已較為成熟，而 MEMS 加速度計(jì)近年來(lái)發(fā)展迅速。
MEMS 加速度計(jì)在尺寸、性能、智能化等方面都具有一定優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前最為先進(jìn)的加速度計(jì)之一。MEMS 加速度計(jì)通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。依據(jù)工作原理的不同，MEMS 加速度計(jì)可以分為電容式、壓電式、熱感式、諧振式等類型。其中，憑借檢測(cè)精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動(dòng)態(tài)范圍以及可以測(cè)量靜態(tài)加速度等優(yōu)點(diǎn)，電容式 MEMS 加速度計(jì)是目前應(yīng)用最多的類型之一。加速度計(jì)的性能指標(biāo)較多，零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、線速度隨機(jī)游走和標(biāo)度因數(shù)精度為四個(gè)核心性能指標(biāo)。

根據(jù)核心性能指標(biāo)，加速度計(jì)可分為戰(zhàn)略級(jí)、導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)、消費(fèi)級(jí)四大類。其中，戰(zhàn)略級(jí)對(duì)加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)精度的要求最高。慣性導(dǎo)航所需的導(dǎo)航級(jí)雖未達(dá)到戰(zhàn)略級(jí)的性能指標(biāo)要求，但要求已高于戰(zhàn)術(shù)級(jí)和消費(fèi)級(jí)。

MEMS 陀螺儀為目前較為先進(jìn)的商用陀螺儀

陀螺儀是一種測(cè)量物體角速度的傳感裝置。陀螺儀技術(shù)通常可分為四代，MEMS 陀螺儀是第三代陀螺儀的代表，是目前商用陀螺儀中較為先進(jìn)的類型。
1）基于牛頓經(jīng)典力學(xué)原理的第一代陀螺儀。其優(yōu)點(diǎn)為種類多、精度高，缺點(diǎn)為體積質(zhì)量大、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能受機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和極限精度制約、產(chǎn)品制造維護(hù)成本昂貴。典型的第一代陀螺儀為靜電陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺。
2）基于薩格奈克效應(yīng)的第二代陀螺儀。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、反應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)為成本高、體積大。光學(xué)陀螺技術(shù)較為成熟，已得到批量應(yīng)用，典型的第二代陀螺儀為激光陀螺和光纖陀螺。
3）基于哥氏振動(dòng)效應(yīng)和微納加工技術(shù)的第三代陀螺儀。其典型代表是半球諧振陀螺和MEMS 陀螺。受限于結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，半球諧振陀螺的量產(chǎn)難度較高。MEMS 陀螺儀具有體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低、易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用。
4）基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)的第四代陀螺儀。其優(yōu)點(diǎn)為高精度、高可靠、小型化，但目前仍處于早期研究階段。典型的第四代陀螺儀為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。

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