運動測量，特別是加速度、旋轉和速度，對於(yu) 理解物體(ti) 的方向至關(guan) 重要。它也廣泛適用於(yu) 許多應用；例如，生產(chan) 線機器、機器人設備、車輛、自主係統、萬(wan) 向節、機床，甚至機器人假肢。
技術、製造技術、小型化和計算機處理的進步極大地簡化了 IMU 中使用的運動傳(chuan) 感設備（特別是使用MEMS 技術的設備）的生產(chan) 。
IMU（有時稱為(wei) 慣性參考單元 [IRU] 或運動參考單元 [MRU]）通常是一種機電或固態設備，包含能夠測量運動的傳(chuan) 感器陣列。也就是說，檢測 X、Y 和 Z 軸周圍的線性加速度（速度變化率）和角速率（角速度變化）並提供有關(guan) 該運動的數據
IMU 能夠通過將檢測到的慣性（由於(yu) 物體(ti) 改變方向的阻力而產(chan) 生的力）轉換為(wei) 描述物體(ti) 運動的輸出數據來測量運動。該數據將被其他係統使用，例如控製車輛。 IMU 的輸出通常是來自以下來源的原始傳(chuan) 感器數據：
• 加速度計（沿每個(ge) 軸的線性加速度測量）；
• 陀螺儀(yi) （繞每個(ge) 軸的旋轉速率/角速度測量）。
該圖像描繪了三個(ge) 運動軸上的加速度計和陀螺儀(yi) 。每個(ge) 加速度計和陀螺儀(yi) 都與(yu) 其他加速度計和陀螺儀(yi) 成 90°（正交）放置。
加速度計測量沿每個(ge) 軸的運動，每個(ge) 陀螺儀(yi) 測量繞每個(ge) 軸的角速度。
記錄的 IMU 信號或來自 IMU 的傳(chuan) 感器由附加設備或係統處理，這些設備或係統提供 IMU 數據應用的參考係。例如，使用地球作為(wei) 參考係的飛行器將把 IMU 數據融合到其導航係統中，以確定飛行器相對於(yu) 地球的航向和位置——地理位置和相對於(yu) 北方的航向。原始 IMU 傳(chuan) 感器信息可能足以確定方向（例如，我指向上方嗎？）和運動（例如，我在移動嗎？），並可用於(yu) 更複雜的計算，例如航位推算時。典型應用包括：
• 運動追蹤；
• 振動監測；
• 消費電子產(chan) 品 – 手機；
• 指向應用 – 攝像頭和天線定位。
IMU 經常與(yu) AHRS（姿態、航向和參考係統）設備混淆。主要區別在於(yu) ，除了運動數據之外，AHRS 還將提供方向/航向數據。
AHRS包含一個(ge) 用於(yu) 運動傳(chuan) 感的 IMU；然而，它使用額外的傳(chuan) 感器融合技術和機載處理來組合原始傳(chuan) 感器輸出，以確定其輸出數據中的準確橫滾、俯仰、航向和升沉。
慣性測量單元中的加速度計、陀螺儀(yi) （有時還有磁力計）通常稱為(wei) “慣性傳(chuan) 感器”。
當今慣性傳(chuan) 感器生產(chan) 中最常用的技術是 MEMS（微機電係統）。 MEMS 是極其微小的設備（尺寸小至微米），是由各種材料（例如矽、聚合物、金屬）製成的電氣和機械元件的組合，旨在提供特定功能。例如，用於(yu) 測量線性加速度的 MEMS 加速度計。 MEMS 組件的複雜程度各不相同，從(cong) 簡單的開關(guan) 到具有多個(ge) 集成傳(chuan) 感器和微電子器件的極為(wei) 複雜的機電係統。
傳(chuan) 感器數據處理考慮了地球的引力效應，以提供準確代表自由空間中實際運動的輸出。為(wei) 了描述重力效應，想象一下自由落體(ti) 中的 IMU；它將測量到零垂直加速度，因為(wei) 整個(ge) 裝置的加速速度與(yu) 地球引力相同。如果我們(men) 停止 IMU，使其漂浮在自由空間中，它將測量到 -9.81 m/s2 的垂直加速度，盡管對我們(men) 來說它看起來是靜止的 - 該重力加速度必須從(cong) 傳(chuan) 感器輸出中消除。這意味著當漂浮在自由空間中時，垂直加速度為(wei) 0 m/s2。
• 元件尺寸和重量極小——這意味著傳(chuan) 感器可以安裝在小型印刷電路板上並裝在小型外殼中。小尺寸使得 MEMS 非常適合對有效負載大小和重量敏感的應用。
• 功耗極低 – MEMS 傳(chuan) 感器消耗極少的功耗，非常適合電池供電的應用。
• 更具成本效益——MEMS矽蝕刻、微加工和PCB安裝非常適合大規模生產(chan) ，使得MEMS設備相對便宜。
• 可靠性——MEMS 元件以及材料和構造技術使其成為(wei) 極其可靠的傳(chuan) 感器類型，可以提供很長的使用壽命。
• 快速陀螺儀(yi) 初始化 – MEMS 陀螺儀(yi) 能夠比機械和光學傳(chuan) 感器類型更快地“穩定”。這使得傳(chuan) 感器可以在啟動後更早地使用。
• 技術進步——MEMS 傳(chuan) 感器的應用極其廣泛，這導致了持續的開發和改進，以提高精度、進一步小型化和降低成本。目前，MEMS陀螺儀(yi) 的陀螺儀(yi) 性能能夠與(yu) 某些光纖陀螺儀(yi) （FOG）相匹配。
對於(yu) 需要極高精度旋轉測量和航向的應用，可以使用其他陀螺儀(yi) 技術。這些通常用於(yu) 無法依賴磁航向並且可能無法獲取 GNSS 數據以獲取幫助的應用程序。例如，沒有 GNSS 接收且磁航向不夠準確或受到周圍含鐵材料或環境條件的磁幹擾的海底應用。
在上述場景中，光纖陀螺儀(yi) （FOG）可以提供必要的陀螺儀(yi) 性能——超高精度和高精度、低漂移和低偏置不穩定性以及抗磁幹擾能力。與(yu) 典型的 MEMS IMU 相比，FOG 技術的優(you) 勢在一定程度上被抵消了，它的體(ti) 積大很多倍，特別重，而且價(jia) 格也貴得多。實際上，這限製了光纖陀螺不僅(jin) 適合而且有意義(yi) 的市場和應用，並且所需的必要投資是可以接受的。
限製 FOG 陀螺儀(yi) 使用的尺寸/重量/成本缺點有助於(yu) 增強 MEMS 作為(wei) 一種具有出色物理和性能特性的可行替代技術的優(you) 勢。MEMS IMU 技術的經濟性和可及性使其適用於(yu) 更大的用戶群和應用範圍，包括成為(wei) 機器人和自主係統行業(ye) 的關(guan) 鍵增強技術。
例如，Advanced Navigation 的 Motus MEMS IMU 尺寸緊湊、重量輕、功耗和成本更低 (SWaP-C)，同時保持非常高精度的陀螺儀(yi) 性能。 Motus 重 26 克（約 1 盎司），需要約 16 cm3（約 1 英寸 3）的體(ti) 積，功耗 1.4 W。以下是高級導航 Motus MEMS IMU 和 Boreas D90 數字 FOG INS 的性能比較。
| Motus | Boreas D90 | |
| 滾動和俯仰 | 0.05° | 0.005° |
| Heading | 0.8°（磁性） | 0.01° |
| 偏差不穩定 | 0.2 °/hr | 0.001 °/hr |
在上麵的比較中，IMU 的選擇將取決(jue) 於(yu) 多種因素的組合，這些因素取決(jue) 於(yu) 您需要多少精度、每個(ge) 可用選項對實際應用的適合程度以及您想要花多少錢。盡管北風之神毫無疑問是一種更精確的設備，因此也更昂貴；在物理方麵，它重 2500 克（約 88 盎司），需要 2600 立方厘米（約 158 英寸 3）的體(ti) 積，功耗 12 瓦。很容易看出性能和尺寸、重量、功耗和功耗方麵的主要差異。兩(liang) 者之間的成本（SWaP-C）。
綜上所述，在小型無人機應用中使用光纖陀螺儀(yi) 可能意味著使用具有更高有效負載能力的無人機，該無人機通常較大，可以容納必要的電機、電池和有效負載。在這種情況下，帶有磁力計航向的基於(yu) MEMS 的 IMU INS 非常適合，因為(wei) 它具有最小的有效負載，特別是如果以 OEM 形式提供，功耗很小，並且可以提供精度，使MEMS 慣性傳(chuan) 感適用於(yu) 各種基於(yu) 無人機的應用應用，例如激光雷達測量和攝影測量。
加速度計是測量物體(ti) 相對於(yu) 局部慣性參考係的線性加速度/速度變化率的運動傳(chuan) 感器。作為(wei) 一個(ge) 概念，加速度計由一個(ge) 通過機械彈簧連接到其參考係的質量塊組成。彈簧允許檢測質量沿著所謂的靈敏度軸移動。測量檢驗質量的位移（即質量從(cong) 其先前位置移動了多遠）可以計算所施加的加速度。
位移的測量是通過電容進行的。傳(chuan) 感器將有幾個(ge) 差分電容器。這些電極固定在檢測質量兩(liang) 側(ce) 。檢驗質量塊將具有伸入差分電容器電極之間的空間的延伸臂或“手指”。靜止時，手指位於(yu) 電極之間的中心，並產(chan) 生已知的電容來表示零加速度。在加速事件期間，檢驗質量會(hui) 移動 - 這是因為(wei) 它是彈簧的，因此將以與(yu) 傳(chuan) 感器其餘(yu) 部分（參考係）不同的速率加速。結果，手指靠近一個(ge) 電極，產(chan) 生電容變化，由此可以得出加速度。
該圖描繪了簡單 MEMS 加速度計的操作。錨點 ( A ) 將檢驗質量 ( B ) 固定到位。
檢驗質量由中心部分 ( i ) 和多個(ge) 突出的指狀部分 ( ii ) 組成。中心部分和錨之間的檢測質量部分充當彈簧 ( iii )。
固定電極 ( C ) 構成差分電容器，電容器電極之間的檢測質量上有一個(ge) 突出的手指。
當加速度計靜止或以固定速度（零加速度）行進時，手指位於(yu) 電極之間的中心位置，如圖所示。
在上麵的動畫中，第一個(ge) 序列顯示加速度計靜止。然後向右加速。
檢驗質量的加速度（慣性）阻力導致其想要保持靜止，因此以與(yu) 參考係不同的速率加速，導致其在彈簧上向左拉。
差分電容器電容的變化代表了所感測到的加速度的大小——手指距離左側(ce) 電極越近，向右的加速度越大。
在第二個(ge) 序列中，導致向右加速的力停止。例如，這會(hui) 立即因摩擦而產(chan) 生減速力。檢驗質量現在移向右側(ce) 電極，從(cong) 中計算出負加速度值。最終，重新施加足夠的力，使加速度計以恒定速度行進，因此手指位於(yu) 差分電容器電極的中心。
在最後的序列中，加速度計在嚴(yan) 重減速的情況下從(cong) 恒定速度降至零速度，然後再次靜止。
開環和閉環加速度計
加速度計傳(chuan) 感器主要有兩(liang) 類：開環和閉環。開環傳(chuan) 感器具有在加速度作用下發生位移的檢驗質量，測量位移以計算所施加的加速度（如上所述）。這些傳(chuan) 感器不太複雜，製造成本也較低。
閉環加速度計是一種通常將其檢測質量保持在固定位置並測量將其保持在該位置所需的電流或功率的設備，換句話說，就是消除加速力所需的功率。兩(liang) 者之間的顯著區別在於(yu) ，閉環係統能夠提供有關(guan) 其狀態的反饋，這使得傳(chuan) 感器能夠自我調節，因此可能更加準確。其他幾種測量檢驗質量位移的方法也在使用中，包括壓阻式、壓電式和隧道電流測量。
MEMS 加速度計專(zhuan) 門針對預期的最大允許加速度而設計。這些對於(yu) 實現所需的測量分辨率和動態範圍是必要的。
角速率傳(chuan) 感器通常稱為(wei) 陀螺儀(yi) ，可指示繞軸的加速度（旋轉速率）。雖然存在多種測量角加速度的技術，但最常見的方法是使用科裏奧利效應。為(wei) 了可視化科裏奧利效應，想象一個(ge) 以順時針方向旋轉的圓形平台，其中心有一輛車輛。車輛開始向北行駛。當車輛遠離中心時，平台的徑向速度增加，這導致車輛有效地遵循半徑減小的弧線，看似向西——這種方向的變化就是科裏奧利效應。為(wei) 了保持向北的航向，車輛必須通過施加相等且相反的加速度來抵消科裏奧利效應——這就是科裏奧利加速度。
從(cong) 上方觀察時，由於(yu) 車輛下方平台的徑向速度不斷增加，
向北朝向旋轉平台外邊緣移動的車輛將到達西北位置的平台邊緣 - 科裏奧利效應（紅色虛線） ）。
為(wei) 了保持向北的路線，車輛需要按照科裏奧利效應成比例向東(dong) 加速——這就是科裏奧利加速度（藍色箭頭）。
平台旋轉得越快，科裏奧利效應就越劇烈。
以地球為(wei) 參考係，科裏奧利效應是由於(yu) 地球和相對緯度同時旋轉而對運動物體(ti) 造成的視偏轉。例如，當從(cong) 赤道向北發射火箭時，在火箭著陸的時間內(nei) ，地球向東(dong) 旋轉了一定量。這意味著火箭相對於(yu) 地球表麵沿左彎曲弧線飛行，並在其預定著陸點的正西著陸（盡管它是直線飛行）。當您向兩(liang) 極移動時，緯度會(hui) 增加，由於(yu) 地球周長的減小，科裏奧利效應也會(hui) 增加。
在典型的科裏奧利 MEMS 陀螺儀(yi) 中，諧振檢測質量通過機械彈簧連接到其參考係。該參考係連接到外部參考係並通過機械彈簧隔離。檢驗質量沿特定軸振動 - 這稱為(wei) 驅動軸。當陀螺儀(yi) 旋轉時，科裏奧利效應會(hui) 沿著垂直於(yu) 驅動軸的軸引起二次振動 - 這稱為(wei) 傳(chuan) 感軸。與(yu) 許多 MEMS 加速度計傳(chuan) 感器一樣，測量結果是通過電容得出的。旋轉導致內(nei) 參考係和外參考係之間的差分電容的輸出發生變化。隨著旋轉速率的增加，檢驗質量的位移也會(hui) 增加，產(chan) 生與(yu) 科裏奧利力/感測到的旋轉成比例的信號。
該圖描繪了簡單 MEMS 科裏奧利陀螺儀(yi) 的運行情況。
彈簧 ( A ) 將檢驗質量 ( B ) 固定在內(nei) 部參考係 ( C ) 內(nei) 。
內(nei) 部參考係也使用彈簧 ( E )與(yu) 外部參考係 ( D ) 隔離。內(nei) 部參考係有幾個(ge) 突出的指狀物（i）。
固定電極 ( ii ) 構成差分電容器，具有從(cong) 電容器電極之間的內(nei) 部參考係伸出的手指。
陀螺儀(yi) 可以以任何角度放置在旋轉物體(ti) 上的任何位置，但其傳(chuan) 感軸必須與(yu) 旋轉軸平行。
磁力計用於(yu) 檢測和測量地球磁場的強度和方向，以確定航向。磁航向結合地球磁場強度得出與(yu) 北相關(guan) 的方向。三個(ge) 磁力計測量磁場強度，以提供相對於(yu) 磁北的三維方向。請注意，磁北與(yu) “真”（地理）北不同，“真”北是地球繞其旋轉的軸。
紅軸描繪了“磁北”，因為(wei) 它與(yu) 地球磁場對齊。藍軸代表“真北”，因為(wei) 它是地球旋轉的實際軸。
兩(liang) 種主要的磁力計技術是磁阻和霍爾效應。當帶電帶存在垂直於(yu) 電流方向的磁場時，霍爾效應傳(chuan) 感器測量帶電帶兩(liang) 側(ce) 之間的電勢差。
磁阻傳(chuan) 感器使用磁域沿同一方向排列的坡莫合金。地球磁場的變化會(hui) 改變坡莫合金內(nei) 的磁排列，從(cong) 而改變其電阻。這種變化可以被測量並用於(yu) 計算航向的變化。
磁力計非常敏感，這使得它們(men) 容易受到電磁幹擾，從(cong) 而影響精度。這意味著磁力計必須在調試期間進行校準。
總結上述傳(chuan) 感器類型的典型主要優(you) 點：
| 阻式 | 霍爾效應 |
| 更高的靈敏度 | 區分南北磁極 |
| 噪音更低 | 不易受到幹擾 |
| 更高的角度靈敏度 | 更大的角度測量（360°） |
壓力傳(chuan) 感器用於(yu) 測量 IMU 上的外部壓力。例如，用於(yu) 確定水下應用中的深度的水壓傳(chuan) 感器，以及用於(yu) 確定高度的氣壓傳(chuan) 感器（氣壓計）。海拔越高，氣壓越低；深度越深，水壓越高。確定壓力的兩(liang) 種主要方法是通過壓阻或電容。兩(liang) 者都使用在壓力下會(hui) 偏轉的隔膜——偏轉用於(yu) 產(chan) 生可測量的值。
流入腔中的壓力變化導致隔膜偏轉。傳(chuan) 感腔中的差分電容器根據電容器電極之間的距離改變電容。
隨著壓力增加，隔膜上的電極靠近傳(chuan) 感腔壁上的電極。
電容式壓力傳(chuan) 感器將在隔膜下側(ce) 沉積導電層以形成電容器。例如，當壓力增加時，隔膜受到加壓，並且會(hui) 隨著隔膜和電極之間的間距變化而偏轉，從(cong) 而改變測量的電容。
壓阻方法將導電元件直接蝕刻到隔膜的表麵上，產(chan) 生兩(liang) 組平行的已知電阻，通過計算，可以準確地確定未知電阻。這稱為(wei) 惠斯通電橋網絡。當隔膜因壓力變化而偏轉時，電阻會(hui) 出現不確定的變化（未知變量）。惠斯通電橋電路測量電阻，該電阻代表隔膜上的壓力。
總結上述傳(chuan) 感器類型的典型主要優(you) 點：
| 電容式 | 壓阻式 |
| 長期穩定性 | 校準更簡單 |
功耗更低 精度更高，總誤差帶 更低 抗過壓能力更強 | 更低的花費 |
光纖陀螺儀(yi) (FOG) 是 IMU 的卓越技術，必須提供超高精度、低漂移和低偏置不穩定性。也就是說，陀螺儀(yi) 性能超出了MEMS器件的性能限製。此外，許多光纖陀螺儀(yi) 都能夠進行陀螺羅經，即根據地球自轉找到真北，無需磁力計或全球導航衛星係統的幫助。這使得光纖陀螺儀(yi) 不受磁幹擾，因此對於(yu) 無法選擇磁航向的應用來說，這是一個(ge) 不錯的選擇。
光纖陀螺儀(yi) 使用一種稱為(wei) 薩尼亞(ya) 克效應的光學現象 來確定裝置的旋轉速率。 FOG 具有三個(ge) 正交放置（彼此成 90°）的光纖線圈 - X、Y 和 Z 軸各一個(ge) 。激光用於(yu) 同時沿相反方向發送光束穿過每個(ge) 線圈繞組。另一種光學陀螺儀(yi) 技術是環形激光陀螺儀(yi) （RLG）。這種類型的設備使用鏡子來控製激光的路徑，而不是光纖線圈。
當光離開線圈時，波形被組合（幹涉）並檢查所得波形。如果發生旋轉，則光在一個(ge) 方向上傳(chuan) 播線圈所需的有效時間將與(yu) 另一個(ge) 方向的有效時間不同（將其視為(wei) 一條賽道，兩(liang) 輛速度相同的汽車沿相反方向行駛，實際軌道和終點線在汽車下方移動）。如果兩(liang) 者之間存在任何相移，這在組合波形中會(hui) 很明顯。光纖陀螺儀(yi) 利用相移來高精度地計算旋轉。
在圖中，FOG 繞 Z 軸旋轉。在旋轉過程中，光的相移可以看作兩(liang) 束光束到達光接收器的時間差。
光的相移僅(jin) 在旋轉期間發生；一旦旋轉停止，光線將再次同相。
請注意，這僅(jin) 用於(yu) 說明目的，不一定是對實際技術的描述。
光纖陀螺不需要移動部件，不依賴慣性阻力，並且產(chan) 生的電噪聲非常小，不會(hui) 影響其精度。換句話說，固有的較低漂移特性以及抗振動、加速度和衝(chong) 擊引起的誤差的能力。請注意，同時也是 INS 的 FOG 通常會(hui) 使用高端 MEMS 傳(chuan) 感器進行非陀螺儀(yi) 傳(chuan) 感。
校準對於(yu) 確保傳(chuan) 感器輸出在指定操作條件下準確且可重複至關(guan) 重要。也就是說，每次 IMU 在相同溫度下經受相同慣性條件時，傳(chuan) 感器都會(hui) 輸出相同（或非常接近）的結果。這主要是由於(yu) MEMS 傳(chuan) 感器的熱敏感性。在校準過程中，使用極其精確的設備使 IMU 經受各種例程，這些例程向傳(chuan) 感器施加一係列預定的測試力。在每個(ge) 溫度點重複測試。
將 IMU 的輸出與(yu) 測試參考數據進行比較，以確定是否需要任何傳(chuan) 感器偏置偏移以及每個(ge) 偏移的值。根據溫度的需要應用偏置，以確保輸出數據盡可能接近參考數據。 IMU 輸出測量的精度可能因以下因素而異：
• 溫度 – 由於(yu) 微觀組件的物理膨脹/收縮而影響精度。
• 來自加速度計和陀螺儀(yi) 的固有誤差源，例如（有關(guan) 其中一些誤差的解釋，請參閱解釋慣性測量單元規格）：
• 傳(chuan) 感器偏差
• 比例因子穩定性
• 交叉軸靈敏度
• 傳(chuan) 感器軸未對準
• MEMS陀螺儀(yi) G靈敏度。
所有Advanced Navigation IMU/AHRS 和 INS 產(chan) 品在出廠前均經過校準、測試和檢查，以確保符合相關(guan) 行業(ye) 標準。
配備磁力計的 IMU 通常需要在車輛上/現場進行校準，以補償(chang) 可能引入航向誤差的靜態磁幹擾。如果需要精確的磁力計航向，則必須在安裝後執行磁力計校準。
靜態（不變）磁幹擾源包括作為(wei) 車輛一部分或隨車輛移動的大量含鐵材料（鋼、鐵）。 IMU 距離靜態幹擾源越近，幹擾就越高。靜態幹擾可以通過安裝後校準來補償(chang) 。通常，可以在安裝設備後通過執行一組校準程序來測量靜態幹擾。該過程將涉及多個(ge) 軸的移動，以測量靜態幹擾的影響。這也有助於(yu) 考慮磁幹擾的綜合影響。
動態磁幹擾的幅度和持續時間是可變的，因此無法校準。動態磁幹擾源包括高電流接線、電動機、伺服係統、螺線管以及附近不隨 IMU 移動的大量含鐵材料（鋼、鐵）。 IMU 應盡可能遠離這些幹擾源安裝。
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