6軸,9軸,IMU,VRU和AHRS分別指的是什么?

常被朋友們問起 到底啥是陀螺儀模塊，IMU模塊，慣導(dǎo)模塊。這里以我的理解給大家一個(gè)通俗的解釋：

說(shuō)明：以下說(shuō)法是為了不改變?cè)獾那闆r下方便快速理解的比較通俗的解釋，不是正式定義。

6軸，9軸，IMU，VRU和AHRS分別指的是什么？

6軸9軸的概念很好理解：說(shuō)白了就是模塊上裝了哪些，多少傳感器

6軸 ： 三軸（XYZ）加速度計(jì) + 三軸（XYZ）陀螺儀（也叫角速度傳感器）

9軸 ： 6軸 + 三軸（XYZ）磁場(chǎng)傳感器

6軸模塊可以構(gòu)成VRU（垂直參考單元）和IMU（慣性測(cè)量單元），9軸模塊可以構(gòu)成AHRS（航姿參考系統(tǒng)）

IMU： 慣性測(cè)量單元，可以輸出加速度和角速度。并不輸出姿態(tài)角等其他信息

VRU： IMU的基礎(chǔ)上內(nèi)置姿態(tài)解算算法，可以輸出姿態(tài)信息。

靜止?fàn)顟B(tài)下加速度計(jì)可以測(cè)得重力矢量并作為參考，所以靜態(tài)下俯仰橫滾角不會(huì)漂移而且精度比較高，然而由于航向角與重力垂直，沒有絕對(duì)參考，水平方向上的航向角誤差會(huì)隨著時(shí)間慢慢變大，變的越來(lái)越不準(zhǔn) 。

當(dāng)模塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)測(cè)量的不僅僅只有重力，還有其他運(yùn)動(dòng)加速度（有害加速度），所以模塊運(yùn)動(dòng)中是不能用重力矢量作為參考修正俯仰橫滾角的。一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論就是：如果模塊長(zhǎng)時(shí)間處于大機(jī)動(dòng)狀態(tài)，那么三個(gè)歐拉角誤差都會(huì)隨時(shí)間變大（越來(lái)越不準(zhǔn)），一旦靜止，俯仰橫滾角會(huì)被重新“拉”回到正確的位置，而航向角因?yàn)闆]有參考則不會(huì)得到校正。

AHRS： VRU的基礎(chǔ)上修改算法，可以解算被測(cè)物體的全姿態(tài)，包括絕對(duì)的航向角（與地磁北極的夾角），因?yàn)橐玫降卮艂鞲衅?，所以必須?軸模塊。另外室內(nèi)由于地磁場(chǎng)畸變非常嚴(yán)重，AHRS 在室內(nèi)也很難獲得準(zhǔn)確的絕對(duì)航向角。

GPS：美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)：Global Position System翻譯過來(lái)就叫全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。也是因?yàn)镚PS是第一個(gè)出來(lái)的，老美命名的也比較驕傲，沒有考慮后面還有其他國(guó)家也做出來(lái)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以這樣理解：GPS是GPS牌GPS，后面還有中國(guó)的北斗牌GPS，毛子的格洛納斯牌GPS等。

GNSS： 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GPS，北斗，格洛納斯等系統(tǒng)的總稱，每一個(gè)系統(tǒng)叫做一個(gè)“星座”

GNSS/INS： 衛(wèi)星/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)

以下是正式定義：（不感興趣可以不看了）

IMU 慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit） 是測(cè)量物體三軸角速度和加速度的設(shè)備。一個(gè)IMU內(nèi)可能會(huì)裝有三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，來(lái)測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度。嚴(yán)格意義上的IMU只為用戶提供三軸角速度以及三軸加速度數(shù)據(jù)。

VRU 垂直參考單元（Vertical Reference Unit）是在IMU的基礎(chǔ)上，以重力向量作為參考，用卡爾曼或者互補(bǔ)濾波等算法為用戶提供有重力向量參考的俯仰角、橫滾角以及無(wú)參考標(biāo)準(zhǔn)的航向角。通常所說(shuō)的6軸姿態(tài)模塊就屬于這類系統(tǒng)。航向角沒有參考，不管模塊朝向哪里，啟動(dòng)后航向角都為0°（或一個(gè)設(shè)定的常數(shù)）。隨著模塊工作時(shí)間增加，航向角會(huì)緩慢累計(jì)誤差。俯仰角，橫滾角由于有重力向量參考，低機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況下，長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)有累積誤差。

AHRS 航姿參考系統(tǒng)（Attitude and Heading Reference System）AHRS系統(tǒng)是在VRU的基礎(chǔ)上增加了磁力計(jì)或光流傳感器，用卡爾曼或者互補(bǔ)濾波等算法為用戶提供擁有絕對(duì)參考的俯仰角、橫滾角以及航向角的設(shè)備，這類系統(tǒng)用來(lái)為飛行器提供準(zhǔn)確可靠的姿態(tài)與航行信息。我們通常所說(shuō)的9軸姿態(tài)傳感器就屬于這類系統(tǒng)，因?yàn)楹较蚪怯械卮艌?chǎng)的參考，所以不會(huì)漂移。但地磁場(chǎng)很微弱，經(jīng)常受到周圍帶磁物體的干擾，所以如何在高機(jī)動(dòng)情況下抵抗各種磁干擾成為AHRS研究的熱門。

GNSS/INS 這是一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，顧名思義這種系統(tǒng)是利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System 簡(jiǎn)稱GNSS，它是GPS，北斗，GLONASS、GALILEO等系統(tǒng)的統(tǒng)稱） 與慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation System）各自的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行算法融合，為用戶提供更加精準(zhǔn)的姿態(tài)及位置信息。

以加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、GNSS等作為基本輸入，利用融合算法輸出用戶所需要的姿態(tài)信息、位置信息以及速度信息。

模塊可以積分計(jì)算速度和位置么？

理論可以，實(shí)際不行（沒有意義）。

如果沒有其他方式糾正偏差（比如GPS），那么位置會(huì)很快發(fā)散，比如HI226模塊，加速度積分得速度，速度積分得位置。這樣二次積分下來(lái)，就算是靜止條件下，1min也會(huì)飄幾十米。高速運(yùn)動(dòng)/機(jī)動(dòng)飄出1KM也是有可能的。真正純慣導(dǎo)解算得到穩(wěn)定的位姿應(yīng)用的都是高端IMU（光纖，激光陀螺等）一般都價(jià)值不菲。

模塊會(huì)受電機(jī)等強(qiáng)磁干擾么？

6軸一點(diǎn)都不會(huì)，9軸肯定會(huì)，而且非常大。所以9軸模式一般不適用于機(jī)器人等周圍有磁性物質(zhì)的場(chǎng)合。

解釋一下航向角飄移現(xiàn)象？

6軸模塊航向角飄移是必然的，只是程度的高低不同而已，器件決定性能，算法不是萬(wàn)能。需要注意的是所有姿態(tài)模塊都需要上電靜止1s左右以獲得陀螺零偏，否則航向角飄移會(huì)更嚴(yán)重，詳見產(chǎn)品手冊(cè)描述。

9軸模塊需要配置為9軸模式，并且地磁經(jīng)過校準(zhǔn)，并且無(wú)地磁空間畸變干擾的環(huán)境下才能輸出穩(wěn)定無(wú)飄移的航向角，室內(nèi)環(huán)境下：辦公桌周圍，廠房，實(shí)驗(yàn)室，儀器設(shè)備旁的區(qū)域空間磁場(chǎng)畸變非常嚴(yán)重，9軸模式下航向角指北精度一般都比較差，初次使用可以到戶外先測(cè)試模塊性能，在拿回室內(nèi)比較。

沒有轉(zhuǎn)臺(tái)等專業(yè)設(shè)備，如何簡(jiǎn)單快速的定性評(píng)估動(dòng)態(tài)精度？

（這里是定性分析，無(wú)法給出定量結(jié)果）： 一個(gè)簡(jiǎn)單的定性分析方法：將模塊水平放置，穩(wěn)定后拿起模塊進(jìn)行隨機(jī)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)（慢慢動(dòng)，不要太劇烈，不要超出陀螺量程），運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間（2-5min）后回到水平位置，這時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)俯仰橫滾角有一個(gè)“回正”過程。

這是由于運(yùn)動(dòng)中加速度計(jì)測(cè)量的不再只有重力矢量，所以無(wú)法提供俯仰橫滾角的絕對(duì)參考，只能靠陀螺積分來(lái)遞推姿態(tài)，隨著時(shí)間流逝，純陀螺積分姿態(tài)必然會(huì)有誤差。重新水平放置后，模塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，加速度計(jì)測(cè)量的又只有重力矢量，所以又可以繼續(xù)為俯仰橫滾角提供絕對(duì)參考，所以才有“回正”過程。所以，從“回正”的大小幅度（而不是快慢）上就可以簡(jiǎn)單定性的比較這塊產(chǎn)品的陀螺性能?；卣仍酱笳f(shuō)明陀螺在運(yùn)動(dòng)過程中累計(jì)的誤差越大。

另外，這個(gè)“回正”的過程如果只是通過看俯仰橫滾數(shù)值是很難用肉眼看出來(lái)的，必須借助上位機(jī)使用曲線或者可視化儀表盤觀察。

編輯：jq