通過上一章GPS與DGPS的學習，我們知道了利用GPS、RTK技術，我們可以獲得車輛厘米級的位姿信息，但是這種方法獲得的定位頻率隻有1~5Hz，滿足不了自動駕駛的使用，如何才能獲得高頻率、高精度的車輛位姿信息呢？這時候我們就要用到IMU了。

IMU（Inertial Measurement Unit），即慣性測量單元，用于測量物體三軸姿态角(或角速率)以及加速度的設備。

IMU組成：一般情況，一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀，加速度計檢測車輛在車輛坐标系統獨立三軸的加速度信号，而陀螺儀檢測車輛相對于導航坐标系的角速度信号，通過測量車輛在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出車輛的姿态。IMU的數據輸出頻率很高，可以達到100Hz以上，将IMU數據解算出的車輛位姿信息填充到RTK得到的高精度位姿信息中，就可以得到車輛高頻率、高精度的位姿信息了。

加速度計的分類：

按檢測的位移方式分類有線性加速度計和擺式加速度計；

按支承方式分類有寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等；

按測量系統的組成形式分類有開環式和閉環式；

按工作原理分類有振弦式、振梁式和擺式積分陀螺加速度計等；

按輸入軸數目分類，有單軸、雙軸和三軸加速度計；

按傳感元件分類有壓電式、壓阻式和電位器式等。

技術成熟的MEMS加速度計分為三種：壓電式、容感式、熱感式。

壓電式MEMS加速度計運用的是壓電效應，在其内部有一個剛體支撐的質量塊，有運動的情況下質量塊會産生壓力，剛體産生應變，把加速度轉變成電信号輸出。具有尺寸小，靈敏度高（壓阻應變計的靈敏系數是金屬應變計的25～50倍），信噪比大，線性和穩定性好的特點。如果進行适當的溫度補償，工作溫度為-20～120℃。

由于壓電式MEMS加速度計内部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計隻能感應到“動态”加速度，而不能感應到“靜态”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動态”加速度，又能感應“靜态”加速度。

容感式MEMS加速度計内部也存在一個質量塊，從單個單元來看，它是标準的平闆電容器。加速度的變化帶動活動質量塊的移動從而改變平闆電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。

電容可動極闆由中間的敏感質量矽擺片的上下兩面用電鍍的方法制成，與相對應的固定極闆組成一組差動電容來敏感輸入加速度的大小。當質量塊受到加速度激勵上下運動時，電容極闆間距随之變化，差動電容大小發生改變，理論推導可知差動電容的大小和加速度在質量塊位移較小的情況下成近似線性比例關系。

熱感式MEMS加速度計内部沒有質量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，在密閉的氣腔裡，加速度計工作時，在加熱體的作用下，氣體在内部形成一個熱氣團。熱氣團的比重和周圍的冷氣有差異，溫度傳感器通過感應熱氣團移動形成的熱場變化而得到加速度值。

伺服式加速度傳感器：加速度引起擺動質量的輕微移動。該移動被位置敏感元件測量，并且通過反饋網絡産生驅動扭矩馬達的電壓，使得擺塊向回移動，接近它的初始位置。所需的扭矩與加速度成正比，所以用于驅動扭矩馬達的電壓就是加速度的度量。

伺服加速度計非常精确，大量地應用于飛機導航系統和衛星控制系統。它的線加速度測量範圍可達到50g，并且還可以測量角加速度。由于其固有頻率低，通常低于200Hz，所以主要用于靜态和低頻的測量。

陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

陀螺儀分類：陀螺儀可分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀。

陀螺儀的原理：一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動将數據信号傳給控制系統。

陀螺儀的回轉效應(gyroscopic effect)：在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，環繞着另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為回轉效應。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

陀螺儀的定軸性：當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。

陀螺儀的進動性：當轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀将繞内環軸轉動；若外力矩作用于内環軸，陀螺儀将繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。

由于制作工藝和工作原理的原因，慣性傳感器測量的數據會有一定的誤差，誤差主要有以下三種：

第一種誤差是偏移誤差（零偏誤差）。在陀螺靜止時，陀螺儀仍會以規定時間内測得的輸出量平均值相應的等效輸入角速率表示，單位為°/h，°/s。理想狀态下該數值應為地球自轉角速度的分量。在角速度輸入為零時，陀螺儀的輸出是一條複合白噪聲信号緩慢變化的曲線，曲線的平均值就是零偏值。

第二種誤差是比例誤差，所測量的輸出和被檢測輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似，在兩次積分後，随着時間推進，其造成的位移誤差也會不斷積累。

第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會導緻我們沒法再跟蹤物體的位置。

在實際應用中，要想獲得車輛的位移數據，我們需要對加速度計的輸出值進行兩次積分。第一次積分求出速度，第二次積分求出位移。積分會導緻偏移誤差呈指數放大，随着時間推進，位移誤差也會不斷積累，最終導緻我們沒法再跟蹤車輛的位置。因此在實際使用中，我們需要不斷用輪速計、RTK等數據取修正IMU的數據。這也是在GPS丢失後，車輛隻能保持很短的時間的高精定位的原因。

1、更高的精度

導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細化測量需求和智能化的發展也對傳感器的精度提出了越來越高的要求。

2、微型化

器件的微型化可以實現設備的便攜性，滿足分布式應用要求。微型化是未來智能傳感設備的發展趨勢，是實現萬物互聯的基礎。

3、高集成度

無論是慣性測量單元還是慣性微系統都是為了提高器件的集成度，進而實現在更小的體積内具備更多的測量功能，滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。

4、适應性強

随着MEMS慣性傳感器的應用範圍越來越廣泛，工作環境也會越來越複雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高沖擊等，适應複雜環境能夠進一步拓寬MEMS慣性傳感器的應用範圍。

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