IMU 是慣性測量單元的縮寫(xie) 。傳(chuan) 感器（包括陀螺儀(yi) 和加速度計）可測量物體(ti) 在三維空間中的角位置和位移。
INS 是慣性導航係統的縮寫(xie) 。它包括 IMU 傳(chuan) 感器及其陀螺儀(yi) 和加速度計，以及用於(yu) 接收來自太空 GNSS 衛星絕對位置數據的傳(chuan) 感器。它還可以配備用於(yu) 測量三維空間中的磁場的磁力計。
INS 增加了高級數據處理，包括卡爾曼濾波和其他處理。參考已知的起始位置，它使用 IMU 的輸出來確定對象的實時位置和矢量。這個(ge) “物體(ti) ”可以是汽車、潛艇、飛機或任何在三維空間中運行的機器。
如今，幾乎每輛汽車、飛機、輪船和智能手機都配備了某種導航係統。您的位置可以使用來自太空中 GPS/GNSS 衛星的三邊測量位置數據顯示在地圖上，或者如果是您的智能手機，則可以使用位於(yu) 已知固定位置的手機信號塔的三邊測量位置。
但如果我們(men) 無法使用衛星或手機信號塔怎麽(me) 辦？例如，潛艇如何導航？一旦潛艇潛入水中並遠離已知起點，它就無法訪問衛星或任何其他外部位置數據源。
水下沒有“GPS”！那麽(me) 潛艇艇員如何知道自己所在的位置呢？他們(men) 如何準確地知道自己的移動速度以及在三維海底世界中的確切位置、方向、航向和方位？ INS 係統就是答案。
舉(ju) 一個(ge) 不太引人注目的例子，在隧道或 GPS/GNSS 衛星係統或手機信號塔的其他障礙物中行駛的機動車輛怎麽(me) 辦？他們(men) 如何跟蹤自己的位置和矢量？
慣性導航係統
這就是 INS（慣性導航係統）發揮作用的地方。 INS 使用一係列極其精確的加速度計、陀螺儀(yi) 和磁力計以及先進的處理技術來計算物體(ti) 相對於(yu) 已知起點、速度和方向的位置。一旦潛艇的慣性導航係統校準到已知的參考點，它就可以從(cong) 該點開始非常準確地“航位推算”。
使用“航位推算”的係統使用已知的起始位置，然後將 IMU/INS 數據添加到該位置，以推斷出物體(ti) 的當前位置和矢量。 INS 並不是完美的，因此係統航位推算的時間越長，誤差就會(hui) 累積。
就潛艇而言，它們(men) 通常位於(yu) 水下很深的位置，無法部署漂浮到水麵並連接到太空中的 GPS 和其他 GNSS 係統的天線。因此，當他們(men) 無法連接到 GPS/GNSS 時，他們(men) 會(hui) 使用 INS 係統來“航位推算”他們(men) 的位置。現代軍(jun) 用潛艇配備了極其精確、低漂移的 INS 模塊。
當衛星和其他外部參考再次可用時，係統將重新校準，消除航位推算期間積累的任何錯誤。 INS 還被商用和軍(jun) 用飛機、航天器、導彈、無人機和機器人使用，甚至集成到許多手機和視頻遊戲控製器中。
慣性導航可用作“後備係統”，在 GPS/GNSS 導航不可用時進行航位推算。但就潛艇和航天器而言，它們(men) 是主要的導航方法。飛機和其他車輛通常將 INS 與(yu) GPS/GNSS 和其他絕對位置參考緊密結合使用。
每個(ge) INS 內(nei) 部都有最重要的 IMU。 IMU 是一個(ge) 傳(chuan) 感器套件，包含至少三個(ge) 正交陀螺儀(yi) 和三個(ge) 正交加速度計。它們(men) 有時還配備三個(ge) 磁力計來測量磁偶極矩，又稱磁場。 IMU 用於(yu) 測量物體(ti) ：
• 角速率 - 物體(ti) 繞其軸旋轉的速率
• 比力 ——絕對加速度與(yu) 重力加速度之差
• 方向 - 物體(ti) 在三維空間中的位置。
基本上，三個(ge) 主軸（X、Y 和 Z - 也稱為(wei) 橫滾軸、俯仰軸和偏航軸）中的每一個(ge) 都至少配備一個(ge) 加速計、一個(ge) 陀螺儀(yi) 和（通常）一個(ge) 磁力計。
飛機的三個(ge) 主軸
單個(ge) 慣性傳(chuan) 感器隻能沿單個(ge) 軸進行測量。但我們(men) 在三維空間中移動，因此我們(men) 將三個(ge) 慣性傳(chuan) 感器安裝在一個(ge) 正交的集群中。
由三個(ge) 加速度計和三個(ge) 陀螺儀(yi) 組成的慣性係統稱為(wei) 六軸係統（沿三個(ge) 軸進行兩(liang) 次測量總共六次測量）。當我們(men) 想要感測磁場以用於(yu) 導航時，我們(men) 沿每個(ge) 軸添加一個(ge) 磁力計，總共有九個(ge) 傳(chuan) 感器。
典型的 IMU 測量與(yu) 其連接的物體(ti) 的原始角速度。它還測量比力/加速度和磁場。
當我們(men) 添加先進的信號處理和數據濾波（例如卡爾曼濾波）時，我們(men) 的 IMU 將成為(wei) 稱為(wei) INS 或慣性導航係統的更大係統的一部分。當用於(yu) 導航時，我們(men) 也可以將 INS 稱為(wei) AHRS，即姿態和航向參考係統。
IMU（慣性測量單元）本質上是 INS（慣性導航係統）的傳(chuan) 感器子係統。 INS 獲取 IMU 的原始輸出，對其進行處理，並計算物體(ti) 相對運動的變化。 INS 將這些變化參考已知的起點、速度和方向，提供實時位置和矢量輸出。
IMU 可以完全集成到 INS 中，也可以是連接到外部 INS 或類似係統的獨立硬件。
• 姿態 - 以物體(ti) 重心為(wei) 中心的俯仰、滾動和偏航
• 三維空間中的位置、位置速度和方向
• 線速度 - 由大小和方向組成的矢量
• 角速率 - 物體(ti) 繞其軸旋轉的速率
要連接到太空中的衛星，需要傳(chuan) 感器。 “GPS”或 GNSS 傳(chuan) 感器通常是一個(ge) 密封的圓頂狀結構，內(nei) 部有天線。它必須位於(yu) 天空視線範圍內(nei) ，以便接收來自太空中各個(ge) GNSS 星座的數據。
慣性傳(chuan) 感器的誕生早於(yu) 半導體(ti) 。經典機械陀螺儀(yi) 是由可自由呈現任何方向的旋轉轉子組成的機械結構。
由於(yu) 角動量守恒，轉子的方向不受外框架或內(nei) 萬(wan) 向架任何部分的傾(qing) 斜或旋轉的影響。
經典機械陀螺儀(yi) ，在移動萬(wan) 向節和外框架內(nei) 具有穩定的轉子
如今，機械陀螺儀(yi) 仍然大量用於(yu) 需要最高精度和長期穩定性的應用中。例如，它們(men) 仍然是潛艇的首選傳(chuan) 感器。一艘大型潛艇有足夠的空間容納這種大型機械結構，而且它的重量也不用太擔心。 但從(cong) 20 世紀 60 年代開始，新技術的發展使得更小、更輕的固態設備能夠充當非常精確的陀螺儀(yi) 。這些包括：
• RLG - 環形激光陀螺儀(yi)
• FOG - 光纖陀螺儀(yi)
• 石英/MEMS 陀螺儀(yi)
環形激光陀螺儀(yi) 的工作原理是薩尼亞(ya) 克效應。單個(ge) 激光被分成兩(liang) 束光束，這兩(liang) 束光束在環中以相反的方向移動。傳(chuan) 感器測量結構沿單軸運動引起的幹涉圖案。
RLG 通常充滿氦氖氣。電極激發沿相反方向傳(chuan) 播的光波。環形激光陀螺儀(yi) 的發明被廣泛認為(wei) 是 20 世紀 60 年代霍尼韋爾航空航天工程師的發明。
FOG 陀螺儀(yi) 與(yu) RLG 陀螺儀(yi) 類似，利用薩尼亞(ya) 克效應來檢測運動。激光束被注入單根光纖電纜中，但它們(men) 以相反的方向傳(chuan) 播。沿框架旋轉方向移動的光束比其他光束到達的速度要快一些。幹涉測量法用於(yu) 測量該相移並計算移動量。
MEMS 代表“微機電係統”。這些是小型傳(chuan) 感器和設備，可以使用許多與(yu) 半導體(ti) 製造相同的方法來製造。因此，可以製造一個(ge) 足夠小且便宜的陀螺儀(yi) ，以安裝在智能手機、視頻遊戲控製器和數千台機器中。
石英晶體(ti) 對運動做出反應，充當科裏奧利傳(chuan) 感器。石英傳(chuan) 感器與(yu) 音叉諧振器相結合，產(chan) 生可由板載微電子設備處理的輸出。盡管 MEMS 陀螺儀(yi) 尺寸小且成本相對較低，但其精度足以滿足廣泛的應用。
根據精度和漂移性能，陀螺儀(yi) 可大致分為(wei) 四類：
• 消費者 - 智能手機、遊戲機和其他消費產(chan) 品；
• 工業(ye) ——UAV（無人駕駛飛行器），包括無人機；製造工藝和環境；
• 智能武器 -及相關(guan) 軍(jun) 事裝備；
• 導航 - 飛機、航天器、潛艇、汽車、農(nong) 用和建築車輛、陸基軍(jun) 用車輛。
以下概述了各種陀螺儀(yi) 技術如何適應這些應用。 RLG、FOG 和石英/MEMS 陀螺儀(yi) 的應用範圍非常廣泛。 RLG 和 FOG 在某些（但不是全部）應用中取代了機械陀螺儀(yi) 。機械陀螺儀(yi) 仍然提供最佳的長期穩定性，因此是潛艇和某些飛機中關(guan) 鍵航位推算應用的首選。
| / | 機械的 | FOG | RLG | 石英/MEMS |
| 應用領域 | 潛艇、宇宙飛船、飛機 | 智能武器、許多汽車和商業以及軍事航空航天和導航應用 | 智能武器、許多汽車和商業以及軍事航空航天和導航應用 | 消費級、工業級、戰術級市場 |
| 優點 | 最佳的長期穩定性 | 小型、固態、堅固且比機械陀螺儀便宜 | 小型、固態、堅固且比機械陀螺儀便宜 | 與 RLG 和 FOG 相同，但更小、更便宜 |
| 缺點 | 成本高，結構相對較大/較重 | 它們缺乏機械陀螺儀的超長期穩定性 | 它們缺乏機械陀螺儀的超長期穩定性 | 它們缺乏機械陀螺儀的超長期穩定性 |
加速度計是測量速度隨時間變化的傳(chuan) 感器。創建這些傳(chuan) 感器需要采用多種關(guan) 鍵技術。它們(men) 本質上是由彈簧懸掛的“證明”質量。彈簧的縱向方向稱為(wei) “靈敏度軸”。
G-Link-200-8G 無線三軸加速度傳(chuan) 感器
當傳(chuan) 感器沿該軸受到速度變化時，檢測質量將移動，壓縮彈簧。這種壓縮量與(yu) 加速度成正比，因此我們(men) 可以測量並輸出該值。加速度的單位是 g（又名“G 力”），也稱為(wei) 米每平方秒。
每個(ge) 人都知道老式指南針：磁化針可以自由指向位於(yu) 北極附近的地球磁北。從(cong) 最基本的意義(yi) 上來說，指南針是一個(ge) 磁力計。然而，對於(yu) 我們(men) 的 IMU 和 INS 係統，我們(men) 需要更詳細地測量磁場。
經典羅盤
磁力計可以基於(yu) 多種技術，包括霍爾效應、磁二極管、洛倫(lun) 茲(zi) 力 MEMS、磁通門等等。基於(yu) MEMS 的磁力計傳(chuan) 感器如今特別受歡迎，因為(wei) 它們(men) 可以製造得非常小、精確且便宜。在當今的許多 IMU、INS 和 AHRS 係統中，磁力計提供三維航向參考。
卡爾曼濾波是一種本質上將傳(chuan) 感器數據與(yu) 預測數據融合的算法。這是一個(ge) 兩(liang) 階段實時線性二次方程，其中第一階段預測並加權各種輸入的準確性，第二階段對輸入應用加權平均值。這種遞歸過程提高了 GPS/GNSS 係統導航輸出的精度，並且是慣性導航精度不可或缺的一部分。
INS 係統廣泛用於(yu) 各種應用。幾乎所有這些都以導航為(wei) 中心，包括：
• 道路車輛導航 - 汽車、卡車、公共汽車、摩托車
• 空中導航 - 商用和軍(jun) 用飛機
• 越野導航 -軍(jun) 車、農(nong) 用車、拖拉機、農(nong) 用車等
• 太空導航 - 航天器和衛星
• 水下和水麵船舶導航 - 船隻、船舶和潛艇
• 采礦和鑽探隧道 - 計算地下距離和方向
• 武器製導 ——導彈和其他製導彈藥
• 道路車輛測試 -自動駕駛車輛的ADAS（高級駕駛輔助係統）測試、測試跑道測試
希望本文能夠幫助您了解 IMU 和 INS 係統是什麽(me) 以及它們(men) 如何工作。您已經看到它們(men) 對於(yu) 廣泛的應用程序有多麽(me) 重要。沒有它們(men) ，潛艇和航天器就無法航行，陸地車輛和飛機也將陷入困境。
使用 GPS/GNSS 和相關(guan) 技術來測試當今汽車的高級駕駛輔助功能幾乎是不可能的。隨著機器、各種車輛、無人機和機器人越來越成為(wei) 現代世界的一部分，對 GNSS 和導航係統的需求隻會(hui) 增加。
• 3DMCX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DMGX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
• 3DMCV7-INS 戰術級嵌入式慣性導航係統
• 3DMGV7-INS 戰術級加固慣性導航係統
• 3DMGX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
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