運動測量，特別是加速度、旋轉(zhuǎn)和速度，對于理解物體的方向至關(guān)重要。它也廣泛適用于許多應(yīng)用；例如，生產(chǎn)線機器、機器人設(shè)備、車輛、自主系統(tǒng)、萬向節(jié)、機床，甚至機器人假肢。
技術(shù)、制造技術(shù)、小型化和計算機處理的進步極大地簡化了 IMU 中使用的運動傳感設(shè)備（特別是使用MEMS 技術(shù)的設(shè)備）的生產(chǎn)。
IMU（有時稱為慣性參考單元 [IRU] 或運動參考單元 [MRU]）通常是一種機電或固態(tài)設(shè)備，包含能夠測量運動的傳感器陣列。也就是說，檢測 X、Y 和 Z 軸周圍的線性加速度（速度變化率）和角速率（角速度變化）并提供有關(guān)該運動的數(shù)據(jù)
IMU 能夠通過將檢測到的慣性（由于物體改變方向的阻力而產(chǎn)生的力）轉(zhuǎn)換為描述物體運動的輸出數(shù)據(jù)來測量運動。該數(shù)據(jù)將被其他系統(tǒng)使用，例如控制車輛。 IMU 的輸出通常是來自以下來源的原始傳感器數(shù)據(jù)：
? 加速度計（沿每個軸的線性加速度測量）；
? 陀螺儀（繞每個軸的旋轉(zhuǎn)速率/角速度測量）。
該圖像描繪了三個運動軸上的加速度計和陀螺儀。每個加速度計和陀螺儀都與其他加速度計和陀螺儀成 90°（正交）放置。
加速度計測量沿每個軸的運動，每個陀螺儀測量繞每個軸的角速度。
記錄的 IMU 信號或來自 IMU 的傳感器由附加設(shè)備或系統(tǒng)處理，這些設(shè)備或系統(tǒng)提供 IMU 數(shù)據(jù)應(yīng)用的參考系。例如，使用地球作為參考系的飛行器將把 IMU 數(shù)據(jù)融合到其導(dǎo)航系統(tǒng)中，以確定飛行器相對于地球的航向和位置——地理位置和相對于北方的航向。原始 IMU 傳感器信息可能足以確定方向（例如，我指向上方嗎？）和運動（例如，我在移動嗎？），并可用于更復(fù)雜的計算，例如航位推算時。典型應(yīng)用包括：
? 運動追蹤；
? 振動監(jiān)測；
? 消費電子產(chǎn)品 – 手機；
? 指向應(yīng)用 – 攝像頭和天線定位。
IMU 經(jīng)常與 AHRS（姿態(tài)、航向和參考系統(tǒng)）設(shè)備混淆。主要區(qū)別在于，除了運動數(shù)據(jù)之外，AHRS 還將提供方向/航向數(shù)據(jù)。
AHRS包含一個用于運動傳感的 IMU；然而，它使用額外的傳感器融合技術(shù)和機載處理來組合原始傳感器輸出，以確定其輸出數(shù)據(jù)中的準確橫滾、俯仰、航向和升沉。
慣性測量單元中的加速度計、陀螺儀（有時還有磁力計）通常稱為“慣性傳感器”。
當今慣性傳感器生產(chǎn)中最常用的技術(shù)是 MEMS（微機電系統(tǒng)）。 MEMS 是極其微小的設(shè)備（尺寸小至微米），是由各種材料（例如硅、聚合物、金屬）制成的電氣和機械元件的組合，旨在提供特定功能。例如，用于測量線性加速度的 MEMS 加速度計。 MEMS 組件的復(fù)雜程度各不相同，從簡單的開關(guān)到具有多個集成傳感器和微電子器件的極為復(fù)雜的機電系統(tǒng)。
傳感器數(shù)據(jù)處理考慮了地球的引力效應(yīng)，以提供準確代表自由空間中實際運動的輸出。為了描述重力效應(yīng)，想象一下自由落體中的 IMU；它將測量到零垂直加速度，因為整個裝置的加速速度與地球引力相同。如果我們停止 IMU，使其漂浮在自由空間中，它將測量到 -9.81 m/s2 的垂直加速度，盡管對我們來說它看起來是靜止的 - 該重力加速度必須從傳感器輸出中消除。這意味著當漂浮在自由空間中時，垂直加速度為0 m/s2。
? 元件尺寸和重量極小——這意味著傳感器可以安裝在小型印刷電路板上并裝在小型外殼中。小尺寸使得 MEMS 非常適合對有效負載大小和重量敏感的應(yīng)用。
? 功耗極低 – MEMS 傳感器消耗極少的功耗，非常適合電池供電的應(yīng)用。
? 更具成本效益——MEMS硅蝕刻、微加工和PCB安裝非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，使得MEMS設(shè)備相對便宜。
? 可靠性——MEMS 元件以及材料和構(gòu)造技術(shù)使其成為極其可靠的傳感器類型，可以提供很長的使用壽命。
? 快速陀螺儀初始化 – MEMS 陀螺儀能夠比機械和光學傳感器類型更快地“穩(wěn)定”。這使得傳感器可以在啟動后更早地使用。
? 技術(shù)進步——MEMS 傳感器的應(yīng)用極其廣泛，這導(dǎo)致了持續(xù)的開發(fā)和改進，以提高精度、進一步小型化和降低成本。目前，MEMS陀螺儀的陀螺儀性能能夠與某些光纖陀螺儀（FOG）相匹配。
對于需要極高精度旋轉(zhuǎn)測量和航向的應(yīng)用，可以使用其他陀螺儀技術(shù)。這些通常用于無法依賴磁航向并且可能無法獲取 GNSS 數(shù)據(jù)以獲取幫助的應(yīng)用程序。例如，沒有 GNSS 接收且磁航向不夠準確或受到周圍含鐵材料或環(huán)境條件的磁干擾的海底應(yīng)用。
在上述場景中，光纖陀螺儀（FOG）可以提供必要的陀螺儀性能——超高精度和高精度、低漂移和低偏置不穩(wěn)定性以及抗磁干擾能力。與典型的 MEMS IMU 相比，F(xiàn)OG 技術(shù)的優(yōu)勢在一定程度上被抵消了，它的體積大很多倍，特別重，而且價格也貴得多。實際上，這限制了光纖陀螺不僅適合而且有意義的市場和應(yīng)用，并且所需的必要投資是可以接受的。
限制 FOG 陀螺儀使用的尺寸/重量/成本缺點有助于增強 MEMS 作為一種具有出色物理和性能特性的可行替代技術(shù)的優(yōu)勢。MEMS IMU 技術(shù)的經(jīng)濟性和可及性使其適用于更大的用戶群和應(yīng)用范圍，包括成為機器人和自主系統(tǒng)行業(yè)的關(guān)鍵增強技術(shù)。
例如，Advanced Navigation 的 Motus MEMS IMU 尺寸緊湊、重量輕、功耗和成本更低 (SWaP-C)，同時保持非常高精度的陀螺儀性能。 Motus 重 26 克（約 1 盎司），需要約 16 cm3（約 1 英寸 3）的體積，功耗 1.4 W。以下是高級導(dǎo)航 Motus MEMS IMU 和 Boreas D90 數(shù)字 FOG INS 的性能比較。
| Motus | Boreas D90 | |
| 滾動和俯仰 | 0.05° | 0.005° |
| Heading | 0.8°（磁性） | 0.01° |
| 偏差不穩(wěn)定 | 0.2 °/hr | 0.001 °/hr |
在上面的比較中，IMU 的選擇將取決于多種因素的組合，這些因素取決于您需要多少精度、每個可用選項對實際應(yīng)用的適合程度以及您想要花多少錢。盡管北風之神毫無疑問是一種更精確的設(shè)備，因此也更昂貴；在物理方面，它重 2500 克（約 88 盎司），需要 2600 立方厘米（約 158 英寸 3）的體積，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異。兩者之間的成本（SWaP-C）。
綜上所述，在小型無人機應(yīng)用中使用光纖陀螺儀可能意味著使用具有更高有效負載能力的無人機，該無人機通常較大，可以容納必要的電機、電池和有效負載。在這種情況下，帶有磁力計航向的基于 MEMS 的 IMU INS 非常適合，因為它具有最小的有效負載，特別是如果以 OEM 形式提供，功耗很小，并且可以提供精度，使MEMS 慣性傳感適用于各種基于無人機的應(yīng)用應(yīng)用，例如激光雷達測量和攝影測量。
加速度計是測量物體相對于局部慣性參考系的線性加速度/速度變化率的運動傳感器。作為一個概念，加速度計由一個通過機械彈簧連接到其參考系的質(zhì)量塊組成。彈簧允許檢測質(zhì)量沿著所謂的靈敏度軸移動。測量檢驗質(zhì)量的位移（即質(zhì)量從其先前位置移動了多遠）可以計算所施加的加速度。
位移的測量是通過電容進行的。傳感器將有幾個差分電容器。這些電極固定在檢測質(zhì)量兩側(cè)。檢驗質(zhì)量塊將具有伸入差分電容器電極之間的空間的延伸臂或“手指”。靜止時，手指位于電極之間的中心，并產(chǎn)生已知的電容來表示零加速度。在加速事件期間，檢驗質(zhì)量會移動 - 這是因為它是彈簧的，因此將以與傳感器其余部分（參考系）不同的速率加速。結(jié)果，手指靠近一個電極，產(chǎn)生電容變化，由此可以得出加速度。
該圖描繪了簡單 MEMS 加速度計的操作。錨點 ( A ) 將檢驗質(zhì)量 ( B ) 固定到位。
檢驗質(zhì)量由中心部分 ( i ) 和多個突出的指狀部分 ( ii ) 組成。中心部分和錨之間的檢測質(zhì)量部分充當彈簧 ( iii )。
固定電極 ( C ) 構(gòu)成差分電容器，電容器電極之間的檢測質(zhì)量上有一個突出的手指。
當加速度計靜止或以固定速度（零加速度）行進時，手指位于電極之間的中心位置，如圖所示。
在上面的動畫中，第一個序列顯示加速度計靜止。然后向右加速。
檢驗質(zhì)量的加速度（慣性）阻力導(dǎo)致其想要保持靜止，因此以與參考系不同的速率加速，導(dǎo)致其在彈簧上向左拉。
差分電容器電容的變化代表了所感測到的加速度的大小——手指距離左側(cè)電極越近，向右的加速度越大。
在第二個序列中，導(dǎo)致向右加速的力停止。例如，這會立即因摩擦而產(chǎn)生減速力。檢驗質(zhì)量現(xiàn)在移向右側(cè)電極，從中計算出負加速度值。最終，重新施加足夠的力，使加速度計以恒定速度行進，因此手指位于差分電容器電極的中心。
在最后的序列中，加速度計在嚴重減速的情況下從恒定速度降至零速度，然后再次靜止。
開環(huán)和閉環(huán)加速度計
加速度計傳感器主要有兩類：開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)傳感器具有在加速度作用下發(fā)生位移的檢驗質(zhì)量，測量位移以計算所施加的加速度（如上所述）。這些傳感器不太復(fù)雜，制造成本也較低。
閉環(huán)加速度計是一種通常將其檢測質(zhì)量保持在固定位置并測量將其保持在該位置所需的電流或功率的設(shè)備，換句話說，就是消除加速力所需的功率。兩者之間的顯著區(qū)別在于，閉環(huán)系統(tǒng)能夠提供有關(guān)其狀態(tài)的反饋，這使得傳感器能夠自我調(diào)節(jié)，因此可能更加準確。其他幾種測量檢驗質(zhì)量位移的方法也在使用中，包括壓阻式、壓電式和隧道電流測量。
MEMS 加速度計專門針對預(yù)期的最大允許加速度而設(shè)計。這些對于實現(xiàn)所需的測量分辨率和動態(tài)范圍是必要的。
角速率傳感器通常稱為陀螺儀，可指示繞軸的加速度（旋轉(zhuǎn)速率）。雖然存在多種測量角加速度的技術(shù)，但最常見的方法是使用科里奧利效應(yīng)。為了可視化科里奧利效應(yīng)，想象一個以順時針方向旋轉(zhuǎn)的圓形平臺，其中心有一輛車輛。車輛開始向北行駛。當車輛遠離中心時，平臺的徑向速度增加，這導(dǎo)致車輛有效地遵循半徑減小的弧線，看似向西——這種方向的變化就是科里奧利效應(yīng)。為了保持向北的航向，車輛必須通過施加相等且相反的加速度來抵消科里奧利效應(yīng)——這就是科里奧利加速度。
從上方觀察時，由于車輛下方平臺的徑向速度不斷增加，
向北朝向旋轉(zhuǎn)平臺外邊緣移動的車輛將到達西北位置的平臺邊緣 - 科里奧利效應(yīng)（紅色虛線） ）。
為了保持向北的路線，車輛需要按照科里奧利效應(yīng)成比例向東加速——這就是科里奧利加速度（藍色箭頭）。
平臺旋轉(zhuǎn)得越快，科里奧利效應(yīng)就越劇烈。
以地球為參考系，科里奧利效應(yīng)是由于地球和相對緯度同時旋轉(zhuǎn)而對運動物體造成的視偏轉(zhuǎn)。例如，當從赤道向北發(fā)射火箭時，在火箭著陸的時間內(nèi)，地球向東旋轉(zhuǎn)了一定量。這意味著火箭相對于地球表面沿左彎曲弧線飛行，并在其預(yù)定著陸點的正西著陸（盡管它是直線飛行）。當您向兩極移動時，緯度會增加，由于地球周長的減小，科里奧利效應(yīng)也會增加。
在典型的科里奧利 MEMS 陀螺儀中，諧振檢測質(zhì)量通過機械彈簧連接到其參考系。該參考系連接到外部參考系并通過機械彈簧隔離。檢驗質(zhì)量沿特定軸振動 - 這稱為驅(qū)動軸。當陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，科里奧利效應(yīng)會沿著垂直于驅(qū)動軸的軸引起二次振動 - 這稱為傳感軸。與許多 MEMS 加速度計傳感器一樣，測量結(jié)果是通過電容得出的。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致內(nèi)參考系和外參考系之間的差分電容的輸出發(fā)生變化。隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加，檢驗質(zhì)量的位移也會增加，產(chǎn)生與科里奧利力/感測到的旋轉(zhuǎn)成比例的信號。
該圖描繪了簡單 MEMS 科里奧利陀螺儀的運行情況。
彈簧 ( A ) 將檢驗質(zhì)量 ( B ) 固定在內(nèi)部參考系 ( C ) 內(nèi)。
內(nèi)部參考系也使用彈簧 ( E )與外部參考系 ( D ) 隔離。內(nèi)部參考系有幾個突出的指狀物（i）。
固定電極 ( ii ) 構(gòu)成差分電容器，具有從電容器電極之間的內(nèi)部參考系伸出的手指。
陀螺儀可以以任何角度放置在旋轉(zhuǎn)物體上的任何位置，但其傳感軸必須與旋轉(zhuǎn)軸平行。
磁力計用于檢測和測量地球磁場的強度和方向，以確定航向。磁航向結(jié)合地球磁場強度得出與北相關(guān)的方向。三個磁力計測量磁場強度，以提供相對于磁北的三維方向。請注意，磁北與“真”（地理）北不同，“真”北是地球繞其旋轉(zhuǎn)的軸。
紅軸描繪了“磁北”，因為它與地球磁場對齊。藍軸代表“真北”，因為它是地球旋轉(zhuǎn)的實際軸。
兩種主要的磁力計技術(shù)是磁阻和霍爾效應(yīng)。當帶電帶存在垂直于電流方向的磁場時，霍爾效應(yīng)傳感器測量帶電帶兩側(cè)之間的電勢差。
磁阻傳感器使用磁域沿同一方向排列的坡莫合金。地球磁場的變化會改變坡莫合金內(nèi)的磁排列，從而改變其電阻。這種變化可以被測量并用于計算航向的變化。
磁力計非常敏感，這使得它們?nèi)菀资艿诫姶鸥蓴_，從而影響精度。這意味著磁力計必須在調(diào)試期間進行校準。
總結(jié)上述傳感器類型的典型主要優(yōu)點：
| 阻式 | 霍爾效應(yīng) |
| 更高的靈敏度 | 區(qū)分南北磁極 |
| 噪音更低 | 不易受到干擾 |
| 更高的角度靈敏度 | 更大的角度測量（360°） |
壓力傳感器用于測量 IMU 上的外部壓力。例如，用于確定水下應(yīng)用中的深度的水壓傳感器，以及用于確定高度的氣壓傳感器（氣壓計）。海拔越高，氣壓越低；深度越深，水壓越高。確定壓力的兩種主要方法是通過壓阻或電容。兩者都使用在壓力下會偏轉(zhuǎn)的隔膜——偏轉(zhuǎn)用于產(chǎn)生可測量的值。
流入腔中的壓力變化導(dǎo)致隔膜偏轉(zhuǎn)。傳感腔中的差分電容器根據(jù)電容器電極之間的距離改變電容。
隨著壓力增加，隔膜上的電極靠近傳感腔壁上的電極。
電容式壓力傳感器將在隔膜下側(cè)沉積導(dǎo)電層以形成電容器。例如，當壓力增加時，隔膜受到加壓，并且會隨著隔膜和電極之間的間距變化而偏轉(zhuǎn)，從而改變測量的電容。
壓阻方法將導(dǎo)電元件直接蝕刻到隔膜的表面上，產(chǎn)生兩組平行的已知電阻，通過計算，可以準確地確定未知電阻。這稱為惠斯通電橋網(wǎng)絡(luò)。當隔膜因壓力變化而偏轉(zhuǎn)時，電阻會出現(xiàn)不確定的變化（未知變量）?；菟雇姌螂娐窚y量電阻，該電阻代表隔膜上的壓力。
總結(jié)上述傳感器類型的典型主要優(yōu)點：
| 電容式 | 壓阻式 |
| 長期穩(wěn)定性 | 校準更簡單 |
功耗更低 精度更高，總誤差帶 更低 抗過壓能力更強 | 更低的花費 |
光纖陀螺儀 (FOG) 是 IMU 的卓越技術(shù)，必須提供超高精度、低漂移和低偏置不穩(wěn)定性。也就是說，陀螺儀性能超出了MEMS器件的性能限制。此外，許多光纖陀螺儀都能夠進行陀螺羅經(jīng)，即根據(jù)地球自轉(zhuǎn)找到真北，無需磁力計或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的幫助。這使得光纖陀螺儀不受磁干擾，因此對于無法選擇磁航向的應(yīng)用來說，這是一個不錯的選擇。
光纖陀螺儀使用一種稱為薩尼亞克效應(yīng)的光學現(xiàn)象 來確定裝置的旋轉(zhuǎn)速率。 FOG 具有三個正交放置（彼此成 90°）的光纖線圈 - X、Y 和 Z 軸各一個。激光用于同時沿相反方向發(fā)送光束穿過每個線圈繞組。另一種光學陀螺儀技術(shù)是環(huán)形激光陀螺儀（RLG）。這種類型的設(shè)備使用鏡子來控制激光的路徑，而不是光纖線圈。
當光離開線圈時，波形被組合（干涉）并檢查所得波形。如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則光在一個方向上傳播線圈所需的有效時間將與另一個方向的有效時間不同（將其視為一條賽道，兩輛速度相同的汽車沿相反方向行駛，實際軌道和終點線在汽車下方移動）。如果兩者之間存在任何相移，這在組合波形中會很明顯。光纖陀螺儀利用相移來高精度地計算旋轉(zhuǎn)。
在圖中，F(xiàn)OG 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，光的相移可以看作兩束光束到達光接收器的時間差。
光的相移僅在旋轉(zhuǎn)期間發(fā)生；一旦旋轉(zhuǎn)停止，光線將再次同相。
請注意，這僅用于說明目的，不一定是對實際技術(shù)的描述。
光纖陀螺不需要移動部件，不依賴慣性阻力，并且產(chǎn)生的電噪聲非常小，不會影響其精度。換句話說，固有的較低漂移特性以及抗振動、加速度和沖擊引起的誤差的能力。請注意，同時也是 INS 的 FOG 通常會使用高端 MEMS 傳感器進行非陀螺儀傳感。
校準對于確保傳感器輸出在指定操作條件下準確且可重復(fù)至關(guān)重要。也就是說，每次 IMU 在相同溫度下經(jīng)受相同慣性條件時，傳感器都會輸出相同（或非常接近）的結(jié)果。這主要是由于 MEMS 傳感器的熱敏感性。在校準過程中，使用極其精確的設(shè)備使 IMU 經(jīng)受各種例程，這些例程向傳感器施加一系列預(yù)定的測試力。在每個溫度點重復(fù)測試。
將 IMU 的輸出與測試參考數(shù)據(jù)進行比較，以確定是否需要任何傳感器偏置偏移以及每個偏移的值。根據(jù)溫度的需要應(yīng)用偏置，以確保輸出數(shù)據(jù)盡可能接近參考數(shù)據(jù)。 IMU 輸出測量的精度可能因以下因素而異：
? 溫度 – 由于微觀組件的物理膨脹/收縮而影響精度。
? 來自加速度計和陀螺儀的固有誤差源，例如（有關(guān)其中一些誤差的解釋，請參閱解釋慣性測量單元規(guī)格）：
? 傳感器偏差
? 比例因子穩(wěn)定性
? 交叉軸靈敏度
? 傳感器軸未對準
? MEMS陀螺儀G靈敏度。
所有Advanced Navigation IMU/AHRS 和 INS 產(chǎn)品在出廠前均經(jīng)過校準、測試和檢查，以確保符合相關(guān)行業(yè)標準。
配備磁力計的 IMU 通常需要在車輛上/現(xiàn)場進行校準，以補償可能引入航向誤差的靜態(tài)磁干擾。如果需要精確的磁力計航向，則必須在安裝后執(zhí)行磁力計校準。
靜態(tài)（不變）磁干擾源包括作為車輛一部分或隨車輛移動的大量含鐵材料（鋼、鐵）。 IMU 距離靜態(tài)干擾源越近，干擾就越高。靜態(tài)干擾可以通過安裝后校準來補償。通常，可以在安裝設(shè)備后通過執(zhí)行一組校準程序來測量靜態(tài)干擾。該過程將涉及多個軸的移動，以測量靜態(tài)干擾的影響。這也有助于考慮磁干擾的綜合影響。
動態(tài)磁干擾的幅度和持續(xù)時間是可變的，因此無法校準。動態(tài)磁干擾源包括高電流接線、電動機、伺服系統(tǒng)、螺線管以及附近不隨 IMU 移動的大量含鐵材料（鋼、鐵）。 IMU 應(yīng)盡可能遠離這些干擾源安裝。
