自動(dòng)駕駛慣性測(cè)量單元的組成部分與分類

慣性測(cè)量單元（Inertialmeasurementunit，簡(jiǎn)稱IMU）被定義為“無需外部參考的可測(cè)量三維線運(yùn)動(dòng)及角運(yùn)動(dòng)的裝置”，即測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。

慣性測(cè)量單元

IMU的組成部分

IMU由三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺儀組成，加速度計(jì)用來檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺儀用來檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)、測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。因此IMU在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價(jià)值。

想象一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，形如下圖所示，具有x軸、y軸和z軸，傳感器能夠測(cè)量各軸方向的線性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這就是所有IMU的根本出發(fā)點(diǎn)，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是據(jù)此而構(gòu)建。

加速度計(jì)

加速度計(jì)測(cè)量加速度，利用的原理是a=F/M，測(cè)量物體的“慣性力”。加速度計(jì)在慣性參照系中用于測(cè)量系統(tǒng)的線加速度，但只能測(cè)量相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的加速度（由于加速度計(jì)與系統(tǒng)固定并隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，不知道自身的方向）?？梢酝ㄟ^對(duì)加速度進(jìn)行解算，求得角速度，但由于精度不高，不具有很好的使用價(jià)值。但是加速度計(jì)可以輔助陀螺儀進(jìn)行角度解算。

陀螺儀

陀螺在慣性參照系中用于測(cè)量系統(tǒng)的角速率。通過以慣性參照系中系統(tǒng)初始方位作為初始條件，對(duì)角速率進(jìn)行積分，就可以時(shí)刻得到系統(tǒng)的當(dāng)前方向。我們現(xiàn)在智能手機(jī)上采用的陀螺儀是采用了MEMS微機(jī)電技術(shù)的MEMS陀螺儀，它需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，非常適合手機(jī)、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

地磁場(chǎng)傳感器

磁力計(jì)/地磁場(chǎng)傳感器，它有個(gè)通俗的名字：電子羅盤。當(dāng)加速度傳感器完全水平的時(shí)候，可以預(yù)料，重力傳感器無法分辨出在水平面旋轉(zhuǎn)的角度即繞Z軸的旋轉(zhuǎn)無法顯示出來，此時(shí)只有陀螺儀可以檢測(cè)。

陀螺儀雖然動(dòng)態(tài)十分快速，但由于其工作原理是積分，所以在靜態(tài)會(huì)有累計(jì)誤差，表現(xiàn)為角度會(huì)一直增加或者一直減少。于是我們會(huì)需要一個(gè)在水平位置能確認(rèn)朝向的傳感器，這就是如今IMU必備的第三個(gè)傳感器，地磁場(chǎng)傳感器，通過這3個(gè)傳感器的相互校正，我們終于在大的理論上可以得到比較準(zhǔn)確的姿態(tài)參數(shù)了。

氣壓傳感器

氣壓傳感器用于檢測(cè)大氣壓強(qiáng)的儀器,實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中氣壓傳感器可作高度計(jì)。在慣導(dǎo)系統(tǒng)中有時(shí)通過增加氣壓計(jì)增強(qiáng)Z軸動(dòng)態(tài)與精度。

IMU的工作原理

IMU的原理和黑暗中走小碎步很相似。在黑暗中，由于自己對(duì)步長(zhǎng)的估計(jì)和實(shí)際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來越多時(shí)，自己估計(jì)的位置與實(shí)際的位置相差會(huì)越來越遠(yuǎn)。走第一步時(shí)，估計(jì)位置與實(shí)際位置還比較接近；但隨著步數(shù)增多，估計(jì)位置與實(shí)際位置的差別越來越大。根據(jù)此方法推廣到三維，就是慣性測(cè)量單元的原理。

學(xué)術(shù)上的表述是：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

因此，通俗來講，慣性測(cè)量裝置IMU屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)，該系統(tǒng)有三個(gè)加速度傳感器與三個(gè)角速度傳感器（陀螺）組成，加速度計(jì)用來感受相對(duì)于地垂線的加速度分量，速度傳感器用來感受角度信息。

值得注意的是，IMU提供的是一個(gè)相對(duì)的定位信息，它的作用是測(cè)量相對(duì)于起點(diǎn)物體所運(yùn)動(dòng)的路線，所以它并不能提供你所在的具體位置的信息，因此，它常常和GPS一起使用，當(dāng)在某些GPS信號(hào)微弱的地方時(shí)，IMU就可以發(fā)揮它的作用，可以讓汽車?yán)^續(xù)獲得絕對(duì)位置的信息，不至于“迷路”。

IMU的分類

目前來說，市面上存在的IMU以6軸與9軸為主。6軸IMU包含一個(gè)三軸加速度傳感器，一個(gè)三軸陀螺儀；9軸IMU則多了一個(gè)三軸的磁力計(jì)。另外，對(duì)于采用MEMS技術(shù)的IMU，一般還內(nèi)置有溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度校準(zhǔn)。

汽車中的IMU

IMU的應(yīng)用

IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上，也被用于需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，慣導(dǎo)系統(tǒng)同時(shí)具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實(shí)時(shí)與連續(xù)，且不受時(shí)間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，可在空中、水中、地下等各種環(huán)境中正常工作。

例如，IMU的上述優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為明顯。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，IMU可作為其他傳感器數(shù)據(jù)缺失時(shí)的有效補(bǔ)充。通過計(jì)算車輛的姿態(tài)（俯仰角和滾動(dòng)角）、航向、速度和位置變化，IMU可用于填補(bǔ)GNSS信號(hào)更新之間的空白，甚至可在GNSS和系統(tǒng)中的其他傳感器失效時(shí)，進(jìn)行航位推算。因此，作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，IMU可用于短期導(dǎo)航，并驗(yàn)證來自其他傳感器的信息。

有人說，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線是IMU，主要原因有三個(gè)：

首先，IMU對(duì)相對(duì)和絕對(duì)位置的推演沒有任何外部依賴，是一個(gè)類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對(duì)定位依賴于衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對(duì)定位依賴于感知的質(zhì)量和算法的性能，而感知的質(zhì)量與天氣有關(guān)，都有一定的不確定性。

其次，同樣是由于IMU不需要任何外部信號(hào)，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對(duì)抗外來的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對(duì)或絕對(duì)定位時(shí)必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號(hào)，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號(hào)干擾而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情況損壞。

最后，IMU對(duì)角速度和加速度的測(cè)量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計(jì)和方向盤轉(zhuǎn)角等冗余信息，使其輸出結(jié)果的置信度遠(yuǎn)高于其它傳感器提供的絕對(duì)或相對(duì)定位結(jié)果。

總而言之，在自動(dòng)駕駛紛繁復(fù)雜無法窮舉的工況中，IMU以其超高的置信度、完全無需外部依賴的特性，以及強(qiáng)大的抗干擾能力，像一顆定海神針，為自動(dòng)駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。