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什么是惯性测量单元,IMU传感器的作用及有哪些部分组成

文章出处:新闻资讯 责任编辑:深圳市广陵达科技有限公司 发表时间:2023-12-29 09:14:33

      运动测量,特别是加速度、旋转和速度,对于理解物体的方向至关重要。它也广泛适用于许多应用;例如,生产线机器、机器人设备、车辆、自主系统、万向节、机床,甚至机器人假肢。


      技术、制造技术、小型化和计算机处理的进步极大地简化了 IMU 中使用的运动传感设备(特别是使用MEMS 技术的设备)的生产。


      IMU(有时称为惯性参考单元 [IRU] 或运动参考单元 [MRU])通常是一种机电或固态设备,包含能够测量运动的传感器阵列。也就是说,检测 X、Y 和 Z 轴周围的线性加速度(速度变化率)和角速率(角速度变化)并提供有关该运动的数据


      IMU 能够通过将检测到的惯性(由于物体改变方向的阻力而产生的力)转换为描述物体运动的输出数据来测量运动。该数据将被其他系统使用,例如控制车辆。 IMU 的输出通常是来自以下来源的原始传感器数据:


      • 加速度计(沿每个轴的线性加速度测量);

      • 陀螺仪(绕每个轴的旋转速率/角速度测量)。

该图像描绘了三个运动轴上的加速度计和陀螺仪

该图像描绘了三个运动轴上的加速度计和陀螺仪。每个加速度计和陀螺仪都与其他加速度计和陀螺仪成 90°(正交)放置。

加速度计测量沿每个轴的运动,每个陀螺仪测量绕每个轴的角速度。

      IMU传感器数据

      记录的 IMU 信号或来自 IMU 的传感器由附加设备或系统处理,这些设备或系统提供 IMU 数据应用的参考系。例如,使用地球作为参考系的飞行器将把 IMU 数据融合到其导航系统中,以确定飞行器相对于地球的航向和位置——地理位置和相对于北方的航向。原始 IMU 传感器信息可能足以确定方向(例如,我指向上方吗?)和运动(例如,我在移动吗?),并可用于更复杂的计算,例如航位推算时。典型应用包括:

      • 运动追踪;

      • 振动监测;

      • 消费电子产品 – 手机;

      • 指向应用 – 摄像头和天线定位。


      惯性测量单元 (IMU) 与姿态航向参考系统 (AHRS) 之间的差异

      IMU 经常与 AHRS(姿态、航向和参考系统)设备混淆。主要区别在于,除了运动数据之外,AHRS 还将提供方向/航向数据。

IMU 与AHRS 之间的主要差异


      AHRS包含一个用于运动传感的 IMU;然而,它使用额外的传感器融合技术和机载处理来组合原始传感器输出,以确定其输出数据中的准确横滚、俯仰、航向和升沉。

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      IMU 传感器背后的技术

      惯性测量单元中的加速度计、陀螺仪(有时还有磁力计)通常称为“惯性传感器”。


      MEMS惯性传感器

      当今惯性传感器生产中最常用的技术是 MEMS(微机电系统)。 MEMS 是极其微小的设备(尺寸小至微米),是由各种材料(例如硅、聚合物、金属)制成的电气和机械元件的组合,旨在提供特定功能。例如,用于测量线性加速度的 MEMS 加速度计。 MEMS 组件的复杂程度各不相同,从简单的开关到具有多个集成传感器和微电子器件的极为复杂的机电系统。


      传感器数据处理考虑了地球的引力效应,以提供准确代表自由空间中实际运动的输出。为了描述重力效应,想象一下自由落体中的 IMU;它将测量到零垂直加速度,因为整个装置的加速速度与地球引力相同。如果我们停止 IMU,使其漂浮在自由空间中,它将测量到 -9.81 m/s2 的垂直加速度,尽管对我们来说它看起来是静止的 - 该重力加速度必须从传感器输出中消除。这意味着当漂浮在自由空间中时,垂直加速度为0 m/s2。


      MEMS技术的优势

      • 元件尺寸和重量极小——这意味着传感器可以安装在小型印刷电路板上并装在小型外壳中。小尺寸使得 MEMS 非常适合对有效负载大小和重量敏感的应用

      • 功耗极低 – MEMS 传感器消耗极少的功耗,非常适合电池供电的应用。

      • 更具成本效益——MEMS硅蚀刻、微加工和PCB安装非常适合大规模生产,使得MEMS设备相对便宜。

      • 可靠性——MEMS 元件以及材料和构造技术使其成为极其可靠的传感器类型,可以提供很长的使用寿命。

      • 快速陀螺仪初始化 – MEMS 陀螺仪能够比机械和光学传感器类型更快地“稳定”。这使得传感器可以在启动后更早地使用。

      • 技术进步——MEMS 传感器的应用极其广泛,这导致了持续的开发和改进,以提高精度、进一步小型化和降低成本。目前,MEMS陀螺仪的陀螺仪性能能够与某些光纤陀螺仪(FOG)相匹配。


      MEMS 和 FOG 陀螺仪 – 简要比较

      对于需要极高精度旋转测量和航向的应用,可以使用其他陀螺仪技术。这些通常用于无法依赖磁航向并且可能无法获取 GNSS 数据以获取帮助的应用程序。例如,没有 GNSS 接收且磁航向不够准确或受到周围含铁材料或环境条件的磁干扰的海底应用。


      在上述场景中,光纤陀螺仪(FOG)可以提供必要的陀螺仪性能——超高精度和高精度、低漂移和低偏置不稳定性以及抗磁干扰能力。与典型的 MEMS IMU 相比,FOG 技术的优势在一定程度上被抵消了,它的体积大很多倍,特别重,而且价格也贵得多。实际上,这限制了光纤陀螺不仅适合而且有意义的市场和应用,并且所需的必要投资是可以接受的。


      限制 FOG 陀螺仪使用的尺寸/重量/成本缺点有助于增强 MEMS 作为一种具有出色物理和性能特性的可行替代技术的优势。MEMS IMU 技术的经济性和可及性使其适用于更大的用户群和应用范围,包括成为机器人和自主系统行业的关键增强技术。


      例如,Advanced Navigation 的 Motus MEMS IMU 尺寸紧凑、重量轻、功耗和成本更低 (SWaP-C),同时保持非常高精度的陀螺仪性能。 Motus 重 26 克(约 1 盎司),需要约 16 cm3(约 1 英寸 3)的体积,功耗 1.4 W。以下是高级导航 Motus MEMS IMU 和 Boreas D90 数字 FOG INS 的性能比较。


MotusBoreas D90
滚动和俯仰0.05°0.005°
Heading0.8°(磁性)0.01°
偏差不稳定0.2 °/hr0.001 °/hr


      在上面的比较中,IMU 的选择将取决于多种因素的组合,这些因素取决于您需要多少精度、每个可用选项对实际应用的适合程度以及您想要花多少钱。尽管北风之神毫无疑问是一种更精确的设备,因此也更昂贵;在物理方面,它重 2500 克(约 88 盎司),需要 2600 立方厘米(约 158 英寸 3)的体积,功耗 12 瓦。很容易看出性能和尺寸、重量、功耗和功耗方面的主要差异。两者之间的成本(SWaP-C)。


      综上所述,在小型无人机应用中使用光纤陀螺仪可能意味着使用具有更高有效负载能力的无人机,该无人机通常较大,可以容纳必要的电机、电池和有效负载。在这种情况下,带有磁力计航向的基于 MEMS 的 IMU INS 非常适合,因为它具有最小的有效负载,特别是如果以 OEM 形式提供,功耗很小,并且可以提供精度,使MEMS 惯性传感适用于各种基于无人机的应用应用,例如激光雷达测量和摄影测量。


      IMU传感器

      加速度计

      加速度计是测量物体相对于局部惯性参考系的线性加速度/速度变化率的运动传感器。作为一个概念,加速度计由一个通过机械弹簧连接到其参考系的质量块组成。弹簧允许检测质量沿着所谓的灵敏度轴移动。测量检验质量的位移(即质量从其先前位置移动了多远)可以计算所施加的加速度。


      位移的测量是通过电容进行的。传感器将有几个差分电容器。这些电极固定在检测质量两侧。检验质量块将具有伸入差分电容器电极之间的空间的延伸臂或“手指”。静止时,手指位于电极之间的中心,并产生已知的电容来表示零加速度。在加速事件期间,检验质量会移动 - 这是因为它是弹簧的,因此将以与传感器其余部分(参考系)不同的速率加速。结果,手指靠近一个电极,产生电容变化,由此可以得出加速度。

该图描绘了简单 MEMS 加速度计的操作

该图描绘了简单 MEMS 加速度计的操作。锚点 ( A ) 将检验质量 ( B ) 固定到位。

检验质量由中心部分 ( i ) 和多个突出的指状部分 ( ii ) 组成。中心部分和锚之间的检测质量部分充当弹簧 ( iii )。

固定电极 ( C ) 构成差分电容器,电容器电极之间的检测质量上有一个突出的手指。

当加速度计静止或以固定速度(零加速度)行进时,手指位于电极之间的中心位置,如图所示。

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在上面的动画中,第一个序列显示加速度计静止。然后向右加速。

检验质量的加速度(惯性)阻力导致其想要保持静止,因此以与参考系不同的速率加速,导致其在弹簧上向左拉。

差分电容器电容的变化代表了所感测到的加速度的大小——手指距离左侧电极越近,向右的加速度越大。


      在第二个序列中,导致向右加速的力停止。例如,这会立即因摩擦而产生减速力。检验质量现在移向右侧电极,从中计算出负加速度值。最终,重新施加足够的力,使加速度计以恒定速度行进,因此手指位于差分电容器电极的中心。


      在最后的序列中,加速度计在严重减速的情况下从恒定速度降至零速度,然后再次静止。


      开环和闭环加速度计

      加速度计传感器主要有两类:开环和闭环。开环传感器具有在加速度作用下发生位移的检验质量,测量位移以计算所施加的加速度(如上所述)。这些传感器不太复杂,制造成本也较低。


      闭环加速度计是一种通常将其检测质量保持在固定位置并测量将其保持在该位置所需的电流或功率的设备,换句话说,就是消除加速力所需的功率。两者之间的显着区别在于,闭环系统能够提供有关其状态的反馈,这使得传感器能够自我调节,因此可能更加准确。其他几种测量检验质量位移的方法也在使用中,包括压阻式、压电式和隧道电流测量。


      MEMS 加速度计专门针对预期的最大允许加速度而设计。这些对于实现所需的测量分辨率和动态范围是必要的。


      陀螺仪

      角速率传感器通常称为陀螺仪,可指示绕轴的加速度(旋转速率)。虽然存在多种测量角加速度的技术,但最常见的方法是使用科里奥利效应。为了可视化科里奥利效应,想象一个以顺时针方向旋转的圆形平台,其中心有一辆车辆。车辆开始向北行驶。当车辆远离中心时,平台的径向速度增加,这导致车辆有效地遵循半径减小的弧线,看似向西——这种方向的变化就是科里奥利效应。为了保持向北的航向,车辆必须通过施加相等且相反的加速度来抵消科里奥利效应——这就是科里奥利加速度。

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从上方观察时,由于车辆下方平台的径向速度不断增加,

向北朝向旋转平台外边缘移动的车辆将到达西北位置的平台边缘 - 科里奥利效应(红色虚线) )。

为了保持向北的路线,车辆需要按照科里奥利效应成比例向东加速——这就是科里奥利加速度(蓝色箭头)。

平台旋转得越快,科里奥利效应就越剧烈。


      以地球为参考系,科里奥利效应是由于地球和相对纬度同时旋转而对运动物体造成的视偏转。例如,当从赤道向北发射火箭时,在火箭着陆的时间内,地球向东旋转了一定量。这意味着火箭相对于地球表面沿左弯曲弧线飞行,并在其预定着陆点的正西着陆(尽管它是直线飞行)。当您向两极移动时,纬度会增加,由于地球周长的减小,科里奥利效应也会增加。


      在典型的科里奥利 MEMS 陀螺仪中,谐振检测质量通过机械弹簧连接到其参考系。该参考系连接到外部参考系并通过机械弹簧隔离。检验质量沿特定轴振动 - 这称为驱动轴。当陀螺仪旋转时,科里奥利效应会沿着垂直于驱动轴的轴引起二次振动 - 这称为传感轴。与许多 MEMS 加速度计传感器一样,测量结果是通过电容得出的。旋转导致内参考系和外参考系之间的差分电容的输出发生变化。随着旋转速率的增加,检验质量的位移也会增加,产生与科里奥利力/感测到的旋转成比例的信号。

该图描绘了简单 MEMS 科里奥利陀螺仪的运行情况

该图描绘了简单 MEMS 科里奥利陀螺仪的运行情况。

弹簧 ( A ) 将检验质量 ( B ) 固定在内部参考系 ( C ) 内。

内部参考系也使用弹簧 ( E )与外部参考系 ( D ) 隔离。内部参考系有几个突出的指状物(i)。

固定电极 ( ii ) 构成差分电容器,具有从电容器电极之间的内部参考系伸出的手指。

陀螺仪可以以任何角度放置在旋转物体上的任何位置,但其传感轴必须与旋转轴平行。

      磁力计

      磁力计用于检测和测量地球磁场的强度和方向,以确定航向。磁航向结合地球磁场强度得出与北相关的方向。三个磁力计测量磁场强度,以提供相对于磁北的三维方向。请注意,磁北与“真”(地理)北不同,“真”北是地球绕其旋转的轴。

红轴描绘了“磁北”,因为它与地球磁场对齐

红轴描绘了“磁北”,因为它与地球磁场对齐。蓝轴代表“真北”,因为它是地球旋转的实际轴。


      两种主要的磁力计技术是磁阻和霍尔效应。当带电带存在垂直于电流方向的磁场时,霍尔效应传感器测量带电带两侧之间的电势差。


      磁阻传感器使用磁域沿同一方向排列的坡莫合金。地球磁场的变化会改变坡莫合金内的磁排列,从而改变其电阻。这种变化可以被测量并用于计算航向的变化。


      磁力计非常敏感,这使得它们容易受到电磁干扰,从而影响精度。这意味着磁力计必须在调试期间进行校准。


      总结上述传感器类型的典型主要优点:

阻式霍尔效应
更高的灵敏度区分南北磁极
噪音更低不易受到干扰
更高的角度灵敏度更大的角度测量(360°)

      压力传感器

      压力传感器用于测量 IMU 上的外部压力。例如,用于确定水下应用中的深度的水压传感器,以及用于确定高度的气压传感器(气压计)。海拔越高,气压越低;深度越深,水压越高。确定压力的两种主要方法是通过压阻或电容。两者都使用在压力下会偏转的隔膜——偏转用于产生可测量的值。

流入腔中的压力变化导致隔膜偏转

流入腔中的压力变化导致隔膜偏转。传感腔中的差分电容器根据电容器电极之间的距离改变电容。

随着压力增加,隔膜上的电极靠近传感腔壁上的电极。


      电容式压力传感器将在隔膜下侧沉积导电层以形成电容器。例如,当压力增加时,隔膜受到加压,并且会随着隔膜和电极之间的间距变化而偏转,从而改变测量的电容。


      压阻方法将导电元件直接蚀刻到隔膜的表面上,产生两组平行的已知电阻,通过计算,可以准确地确定未知电阻。这称为惠斯通电桥网络。当隔膜因压力变化而偏转时,电阻会出现不确定的变化(未知变量)。惠斯通电桥电路测量电阻,该电阻代表隔膜上的压力。


      总结上述传感器类型的典型主要优点:

电容式压阻式
长期稳定性校准更简单

功耗更低

精度更高,总误差带

更低 抗过压能力更强

更低的花费


      光纤陀螺仪

      光纤陀螺仪 (FOG) 是 IMU 的卓越技术,必须提供超高精度、低漂移和低偏置不稳定性。也就是说,陀螺仪性能超出了MEMS器件的性能限制。此外,许多光纤陀螺仪都能够进行陀螺罗经,即根据地球自转找到真北,无需磁力计或全球导航卫星系统的帮助。这使得光纤陀螺仪不受磁干扰,因此对于无法选择磁航向的应用来说,这是一个不错的选择。


      光纤陀螺仪使用一种称为萨尼亚克效应的光学现象 来确定装置的旋转速率。 FOG 具有三个正交放置(彼此成 90°)的光纤线圈 - X、Y 和 Z 轴各一个。激光用于同时沿相反方向发送光束穿过每个线圈绕组。另一种光学陀螺仪技术是环形激光陀螺仪(RLG)。这种类型的设备使用镜子来控制激光的路径,而不是光纤线圈。


      当光离开线圈时,波形被组合(干涉)并检查所得波形。如果发生旋转,则光在一个方向上传播线圈所需的有效时间将与另一个方向的有效时间不同(将其视为一条赛道,两辆速度相同的汽车沿相反方向行驶,实际轨道和终点线在汽车下方移动)。如果两者之间存在任何相移,这在组合波形中会很明显。光纤陀螺仪利用相移来高精度地计算旋转。

FOG 绕 Z 轴旋转。在旋转过程中,光的相移可以看作两束光束到达光接收器的时间差

在图中,FOG 绕 Z 轴旋转。在旋转过程中,光的相移可以看作两束光束到达光接收器的时间差。

光的相移仅在旋转期间发生;一旦旋转停止,光线将再次同相。

请注意,这仅用于说明目的,不一定是对实际技术的描述


      光纤陀螺不需要移动部件,不依赖惯性阻力,并且产生的电噪声非常小,不会影响其精度。换句话说,固有的较低漂移特性以及抗振动、加速度和冲击引起的误差的能力。请注意,同时也是 INS 的 FOG 通常会使用高端 MEMS 传感器进行非陀螺仪传感。


      IMU标定

      校准对于确保传感器输出在指定操作条件下准确且可重复至关重要。也就是说,每次 IMU 在相同温度下经受相同惯性条件时,传感器都会输出相同(或非常接近)的结果。这主要是由于 MEMS 传感器的热敏感性。在校准过程中,使用极其精确的设备使 IMU 经受各种例程,这些例程向传感器施加一系列预定的测试力。在每个温度点重复测试。


      将 IMU 的输出与测试参考数据进行比较,以确定是否需要任何传感器偏置偏移以及每个偏移的值。根据温度的需要应用偏置,以确保输出数据尽可能接近参考数据。 IMU 输出测量的精度可能因以下因素而异:

      • 温度 – 由于微观组件的物理膨胀/收缩而影响精度。

      • 来自加速度计和陀螺仪的固有误差源,例如(有关其中一些误差的解释,请参阅解释惯性测量单元规格):

            • 传感器偏差

            • 比例因子稳定性

            • 交叉轴灵敏度

            • 传感器轴未对准

            • MEMS陀螺仪G灵敏度。

      所有Advanced Navigation IMU/AHRS 和 INS 产品在出厂前均经过校准、测试和检查,以确保符合相关行业标准。


      磁力计校准

      配备磁力计的 IMU 通常需要在车辆上/现场进行校准,以补偿可能引入航向误差的静态磁干扰。如果需要精确的磁力计航向,则必须在安装后执行磁力计校准。


      静态(不变)磁干扰源包括作为车辆一部分或随车辆移动的大量含铁材料(钢、铁)。 IMU 距离静态干扰源越近,干扰就越高。静态干扰可以通过安装后校准来补偿。通常,可以在安装设备后通过执行一组校准程序来测量静态干扰。该过程将涉及多个轴的移动,以测量静态干扰的影响。这也有助于考虑磁干扰的综合影响。


      动态磁干扰的幅度和持续时间是可变的,因此无法校准。动态磁干扰源包括高电流接线、电动机、伺服系统、螺线管以及附近不随 IMU 移动的大量含铁材料(钢、铁)。 IMU 应尽可能远离这些干扰源安装。



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