姿態(tài)傳感器和IMU的聯(lián)系和區(qū)別

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文章開(kāi)頭，我們先看兩個(gè)術(shù)語(yǔ)：航向姿態(tài)參考系統(tǒng)（英文簡(jiǎn)稱(chēng)AHRS）和慣性測(cè)量單元（英文簡(jiǎn)稱(chēng)IMU）。今天，要圍繞這兩個(gè)我們不太熟悉的概念，來(lái)為您介紹一下，AHRS和IMU的在利用加速度傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等傳感器進(jìn)行慣性測(cè)量等方面的聯(lián)系與區(qū)別，以及它們各自的適用領(lǐng)域。

在這之前，我們還需要先了解一下有關(guān)運(yùn)動(dòng)方面的一些基本知識(shí)。

運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)介

我們知道，在三維空間中若將物體視為剛體（不考慮形變），不管其運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，都可以將該運(yùn)動(dòng)分解為該物體質(zhì)心的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)通常可以用運(yùn)動(dòng)初始條件和加速度表示為：

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而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度可以用角速度和時(shí)間的方程式進(jìn)行表示。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)測(cè)量跟蹤中，通常是使用加速度計(jì)和陀螺儀對(duì)物體的加速度和旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量。

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剛體三維運(yùn)動(dòng)解析

AHRS與IMU

AHRS（AttitudeHeadingReferenceSystem）全稱(chēng)航向姿態(tài)參考系統(tǒng)，是利用加速度傳感器、陀螺儀以及電子羅盤(pán)對(duì)實(shí)際目標(biāo)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)和方位進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量值加以處理和計(jì)算以對(duì)目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控。

IMU（InertialMeasurementUnit）也稱(chēng)慣性測(cè)量單元是利用加速度傳感器和陀螺儀對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)加速度和旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行測(cè)量，以得到目標(biāo)在慣性參考系下的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)的裝置。

參考系統(tǒng)區(qū)別

從二者的定義上不難看出，AHRS進(jìn)行測(cè)量時(shí)所選擇的參考系是地球自身，其測(cè)量對(duì)象的位置也是具體的地理位置。而IMU慣性測(cè)量單元?jiǎng)t不同，其測(cè)量的是相對(duì)特定慣性參考系下的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該參考系可以是房屋、建筑等固定點(diǎn)或者勻速運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。從概念上來(lái)說(shuō)，慣性測(cè)量單元應(yīng)用范圍更加廣泛，因?yàn)锳HRS的參考點(diǎn)地球也是一個(gè)慣性參考系（并不絕對(duì)，僅限地球范圍。在太陽(yáng)系內(nèi)以太陽(yáng)作為慣性參考系）。

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9軸姿態(tài)檢測(cè)模塊

系統(tǒng)組成區(qū)別

盡管AHRS和IMU的測(cè)量元件基本上相同，但由于AHRS的參考系統(tǒng)不同，AHRS相比IMU要多出個(gè)磁力計(jì)。在AHRS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，由于陀螺儀時(shí)漂的問(wèn)題，在對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行積分時(shí)，會(huì)隨著時(shí)間推移而誤差越來(lái)越大，因此，需要磁力計(jì)及時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的地理方位角度進(jìn)行校準(zhǔn)。

測(cè)量準(zhǔn)確性

由于AHRS選擇地球作為參考系，并通過(guò)磁力計(jì)測(cè)量電磁場(chǎng)進(jìn)行位置的校準(zhǔn)，相比而言，不包含磁力計(jì)的慣性測(cè)量單元精度往往要更高。通過(guò)磁力計(jì)對(duì)地理方位角進(jìn)行校準(zhǔn)，固然可以在一定程度上提高準(zhǔn)確性，然而磁力計(jì)自身誤差以及測(cè)量時(shí)漂和復(fù)雜磁場(chǎng)等因素的存在，同樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的準(zhǔn)確性下降。此外由于IMU參考系統(tǒng)的不確定性，通常其采用精確度和穩(wěn)定性更好的陀螺儀，以保證旋轉(zhuǎn)角測(cè)量的準(zhǔn)確性，當(dāng)然相比而言，一般IMU的成本更高。

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AHRS通常用在航空飛行測(cè)量、地面機(jī)動(dòng)車(chē)輛遙控、無(wú)人飛行器跟蹤等領(lǐng)域中

應(yīng)用范圍

由于AHRS對(duì)參照系的選擇，使得其應(yīng)用領(lǐng)域不如IMU應(yīng)用廣泛。AHRS通?？衫么帕τ?jì)等傳感器，用在航空飛行測(cè)量、地面機(jī)動(dòng)車(chē)輛遙控、無(wú)人飛行器跟蹤等領(lǐng)域中。由于IMU的參考系靈活變動(dòng)性，慣性測(cè)量通常可用于室內(nèi)軌跡推算、盲區(qū)導(dǎo)航、體感游戲、航天測(cè)算以及軍事慣性制導(dǎo)等方面。

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