自動駕駛的慣性測量單元基礎(chǔ)知識什么

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

慣性測量單元

IMU的組成

部分

IMU由三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀組成，加速度計用來檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號，而陀螺儀用來檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號、測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)用價值。

想象一個笛卡爾坐標(biāo)系，形如下圖所示，具有x軸、y軸和z軸，傳感器能夠測量各軸方向的線性運(yùn)動，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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

加速度計測量加速度，利用的原理是a=F/M，測量物體的“慣性力”。加速度計在慣性參照系中用于測量系統(tǒng)的線加速度，但只能測量相對于系統(tǒng)運(yùn)動方向的加速度（由于加速度計與系統(tǒng)固定并隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，不知道自身的方向）?？梢酝ㄟ^對加速度進(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值。但是加速度計可以輔助陀螺儀進(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，對角速率進(jìn)行積分，就可以時刻得到系統(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。

地磁場傳感器

磁力計/地磁場傳感器，它有個通俗的名字：電子羅盤。當(dāng)加速度傳感器完全水平的時候，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，此時只有陀螺儀可以檢測。

陀螺儀雖然動態(tài)十分快速，但由于其工作原理是積分，所以在靜態(tài)會有累計誤差，表現(xiàn)為角度會一直增加或者一直減少。于是我們會需要一個在水平位置能確認(rèn)朝向的傳感器，這就是如今IMU必備的第三個傳感器，地磁場傳感器，通過這3個傳感器的相互校正，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。在慣導(dǎo)系統(tǒng)中有時通過增加氣壓計增強(qiáng)Z軸動態(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，由于自己對步長的估計和實(shí)際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來越多時，自己估計的位置與實(shí)際的位置相差會越來越遠(yuǎn)。走第一步時，估計位置與實(shí)際位置還比較接近；但隨著步數(shù)增多，估計位置與實(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)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進(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，慣性測量裝置IMU屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)，該系統(tǒng)有三個加速度傳感器與三個角速度傳感器（陀螺）組成，加速度計用來感受相對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提供的是一個相對的定位信息，它的作用是測量相對于起點(diǎn)物體所運(yùn)動的路線，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信號微弱的地方時，IMU就可以發(fā)揮它的作用，可以讓汽車?yán)^續(xù)獲得絕對位置的信息，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包含一個三軸加速度傳感器，一個三軸陀螺儀；9軸IMU則多了一個三軸的磁力計。另外，對于采用MEMS技術(shù)的IMU，一般還內(nèi)置有溫度計進(jìn)行實(shí)時的溫度校準(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)同時具有信息全面、完全自主、高度隱蔽、信息實(shí)時與連續(xù)，且不受時間、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，在自動駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為明顯。在自動駕駛系統(tǒng)中，IMU可作為其他傳感器數(shù)據(jù)缺失時的有效補(bǔ)充。通過計算車輛的姿態(tài)（俯仰角和滾動角）、航向、速度和位置變化，IMU可用于填補(bǔ)GNSS信號更新之間的空白，甚至可在GNSS和系統(tǒng)中的其他傳感器失效時，進(jìn)行航位推算。因此，作為一個獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，IMU可用于短期導(dǎo)航，并驗證來自其他傳感器的信息。

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

首先，IMU對相對和絕對位置的推演沒有任何外部依賴，是一個類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對定位依賴于衛(wèi)星信號的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對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，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對抗外來的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對或絕對定位時必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號干擾而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情況損壞。

最后，IMU對角速度和加速度的測量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計和方向盤轉(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或相對定位結(jié)果。

總而言之，在自動駕駛紛繁復(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，為自動駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。