IMU 是慣性測(cè)量單元的縮寫(xiě)。傳感器（包括陀螺儀和加速度計(jì)）可測(cè)量物體在三維空間中的角位置和位移。
INS 是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的縮寫(xiě)。它包括 IMU 傳感器及其陀螺儀和加速度計(jì)，以及用于接收來(lái)自太空 GNSS 衛(wèi)星絕對(duì)位置數(shù)據(jù)的傳感器。它還可以配備用于測(cè)量三維空間中的磁場(chǎng)的磁力計(jì)。
INS 增加了高級(jí)數(shù)據(jù)處理，包括卡爾曼濾波和其他處理。參考已知的起始位置，它使用 IMU 的輸出來(lái)確定對(duì)象的實(shí)時(shí)位置和矢量。這個(gè)“物體”可以是汽車(chē)、潛艇、飛機(jī)或任何在三維空間中運(yùn)行的機(jī)器。
如今，幾乎每輛汽車(chē)、飛機(jī)、輪船和智能手機(jī)都配備了某種導(dǎo)航系統(tǒng)。您的位置可以使用來(lái)自太空中 GPS/GNSS 衛(wèi)星的三邊測(cè)量位置數(shù)據(jù)顯示在地圖上，或者如果是您的智能手機(jī)，則可以使用位于已知固定位置的手機(jī)信號(hào)塔的三邊測(cè)量位置。
但如果我們無(wú)法使用衛(wèi)星或手機(jī)信號(hào)塔怎么辦？例如，潛艇如何導(dǎo)航？一旦潛艇潛入水中并遠(yuǎn)離已知起點(diǎn)，它就無(wú)法訪問(wèn)衛(wèi)星或任何其他外部位置數(shù)據(jù)源。
水下沒(méi)有“GPS”！那么潛艇艇員如何知道自己所在的位置呢？他們?nèi)绾螠?zhǔn)確地知道自己的移動(dòng)速度以及在三維海底世界中的確切位置、方向、航向和方位？ INS 系統(tǒng)就是答案。
舉一個(gè)不太引人注目的例子，在隧道或 GPS/GNSS 衛(wèi)星系統(tǒng)或手機(jī)信號(hào)塔的其他障礙物中行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)輛怎么辦？他們?nèi)绾胃欁约旱奈恢煤褪噶浚?/p>
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
這就是 INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）發(fā)揮作用的地方。 INS 使用一系列極其精確的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)以及先進(jìn)的處理技術(shù)來(lái)計(jì)算物體相對(duì)于已知起點(diǎn)、速度和方向的位置。一旦潛艇的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)到已知的參考點(diǎn)，它就可以從該點(diǎn)開(kāi)始非常準(zhǔn)確地“航位推算”。
使用“航位推算”的系統(tǒng)使用已知的起始位置，然后將 IMU/INS 數(shù)據(jù)添加到該位置，以推斷出物體的當(dāng)前位置和矢量。 INS 并不是完美的，因此系統(tǒng)航位推算的時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就會(huì)累積。
就潛艇而言，它們通常位于水下很深的位置，無(wú)法部署漂浮到水面并連接到太空中的 GPS 和其他 GNSS 系統(tǒng)的天線。因此，當(dāng)他們無(wú)法連接到 GPS/GNSS 時(shí)，他們會(huì)使用 INS 系統(tǒng)來(lái)“航位推算”他們的位置?，F(xiàn)代軍用潛艇配備了極其精確、低漂移的 INS 模塊。
當(dāng)衛(wèi)星和其他外部參考再次可用時(shí)，系統(tǒng)將重新校準(zhǔn)，消除航位推算期間積累的任何錯(cuò)誤。 INS 還被商用和軍用飛機(jī)、航天器、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人使用，甚至集成到許多手機(jī)和視頻游戲控制器中。
慣性導(dǎo)航可用作“后備系統(tǒng)”，在 GPS/GNSS 導(dǎo)航不可用時(shí)進(jìn)行航位推算。但就潛艇和航天器而言，它們是主要的導(dǎo)航方法。飛機(jī)和其他車(chē)輛通常將 INS 與 GPS/GNSS 和其他絕對(duì)位置參考緊密結(jié)合使用。
每個(gè) INS 內(nèi)部都有最重要的 IMU。 IMU 是一個(gè)傳感器套件，包含至少三個(gè)正交陀螺儀和三個(gè)正交加速度計(jì)。它們有時(shí)還配備三個(gè)磁力計(jì)來(lái)測(cè)量磁偶極矩，又稱(chēng)磁場(chǎng)。 IMU 用于測(cè)量物體：
? 角速率 - 物體繞其軸旋轉(zhuǎn)的速率
? 比力 ——絕對(duì)加速度與重力加速度之差
? 方向 - 物體在三維空間中的位置。
基本上，三個(gè)主軸（X、Y 和 Z - 也稱(chēng)為橫滾軸、俯仰軸和偏航軸）中的每一個(gè)都至少配備一個(gè)加速計(jì)、一個(gè)陀螺儀和（通常）一個(gè)磁力計(jì)。
飛機(jī)的三個(gè)主軸
單個(gè)慣性傳感器只能沿單個(gè)軸進(jìn)行測(cè)量。但我們?cè)谌S空間中移動(dòng)，因此我們將三個(gè)慣性傳感器安裝在一個(gè)正交的集群中。
由三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀組成的慣性系統(tǒng)稱(chēng)為六軸系統(tǒng)（沿三個(gè)軸進(jìn)行兩次測(cè)量總共六次測(cè)量）。當(dāng)我們想要感測(cè)磁場(chǎng)以用于導(dǎo)航時(shí)，我們沿每個(gè)軸添加一個(gè)磁力計(jì)，總共有九個(gè)傳感器。
典型的 IMU 測(cè)量與其連接的物體的原始角速度。它還測(cè)量比力/加速度和磁場(chǎng)。
當(dāng)我們添加先進(jìn)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)濾波（例如卡爾曼濾波）時(shí)，我們的 IMU 將成為稱(chēng)為 INS 或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的更大系統(tǒng)的一部分。當(dāng)用于導(dǎo)航時(shí)，我們也可以將 INS 稱(chēng)為 AHRS，即姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)。
IMU（慣性測(cè)量單元）本質(zhì)上是 INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）的傳感器子系統(tǒng)。 INS 獲取 IMU 的原始輸出，對(duì)其進(jìn)行處理，并計(jì)算物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化。 INS 將這些變化參考已知的起點(diǎn)、速度和方向，提供實(shí)時(shí)位置和矢量輸出。
IMU 可以完全集成到 INS 中，也可以是連接到外部 INS 或類(lèi)似系統(tǒng)的獨(dú)立硬件。
? 姿態(tài) - 以物體重心為中心的俯仰、滾動(dòng)和偏航
? 三維空間中的位置、位置速度和方向
? 線速度 - 由大小和方向組成的矢量
? 角速率 - 物體繞其軸旋轉(zhuǎn)的速率
要連接到太空中的衛(wèi)星，需要傳感器。 “GPS”或 GNSS 傳感器通常是一個(gè)密封的圓頂狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有天線。它必須位于天空視線范圍內(nèi)，以便接收來(lái)自太空中各個(gè) GNSS 星座的數(shù)據(jù)。
慣性傳感器的誕生早于半導(dǎo)體。經(jīng)典機(jī)械陀螺儀是由可自由呈現(xiàn)任何方向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
由于角動(dòng)量守恒，轉(zhuǎn)子的方向不受外框架或內(nèi)萬(wàn)向架任何部分的傾斜或旋轉(zhuǎn)的影響。
經(jīng)典機(jī)械陀螺儀，在移動(dòng)萬(wàn)向節(jié)和外框架內(nèi)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子
如今，機(jī)械陀螺儀仍然大量用于需要最高精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的應(yīng)用中。例如，它們?nèi)匀皇菨撏У氖走x傳感器。一艘大型潛艇有足夠的空間容納這種大型機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且它的重量也不用太擔(dān)心。 但從 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，新技術(shù)的發(fā)展使得更小、更輕的固態(tài)設(shè)備能夠充當(dāng)非常精確的陀螺儀。這些包括：
? RLG - 環(huán)形激光陀螺儀
? FOG - 光纖陀螺儀
? 石英/MEMS 陀螺儀
環(huán)形激光陀螺儀的工作原理是薩尼亞克效應(yīng)。單個(gè)激光被分成兩束光束，這兩束光束在環(huán)中以相反的方向移動(dòng)。傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)沿單軸運(yùn)動(dòng)引起的干涉圖案。
RLG 通常充滿氦氖氣。電極激發(fā)沿相反方向傳播的光波。環(huán)形激光陀螺儀的發(fā)明被廣泛認(rèn)為是 20 世紀(jì) 60 年代霍尼韋爾航空航天工程師的發(fā)明。
FOG 陀螺儀與 RLG 陀螺儀類(lèi)似，利用薩尼亞克效應(yīng)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。激光束被注入單根光纖電纜中，但它們以相反的方向傳播。沿框架旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)的光束比其他光束到達(dá)的速度要快一些。干涉測(cè)量法用于測(cè)量該相移并計(jì)算移動(dòng)量。
MEMS 代表“微機(jī)電系統(tǒng)”。這些是小型傳感器和設(shè)備，可以使用許多與半導(dǎo)體制造相同的方法來(lái)制造。因此，可以制造一個(gè)足夠小且便宜的陀螺儀，以安裝在智能手機(jī)、視頻游戲控制器和數(shù)千臺(tái)機(jī)器中。
石英晶體對(duì)運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)，充當(dāng)科里奧利傳感器。石英傳感器與音叉諧振器相結(jié)合，產(chǎn)生可由板載微電子設(shè)備處理的輸出。盡管 MEMS 陀螺儀尺寸小且成本相對(duì)較低，但其精度足以滿足廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)精度和漂移性能，陀螺儀可大致分為四類(lèi)：
? 消費(fèi)者 - 智能手機(jī)、游戲機(jī)和其他消費(fèi)產(chǎn)品；
? 工業(yè) ——UAV（無(wú)人駕駛飛行器），包括無(wú)人機(jī)；制造工藝和環(huán)境；
? 智能武器 -及相關(guān)軍事裝備；
? 導(dǎo)航 - 飛機(jī)、航天器、潛艇、汽車(chē)、農(nóng)用和建筑車(chē)輛、陸基軍用車(chē)輛。
以下概述了各種陀螺儀技術(shù)如何適應(yīng)這些應(yīng)用。 RLG、FOG 和石英/MEMS 陀螺儀的應(yīng)用范圍非常廣泛。 RLG 和 FOG 在某些（但不是全部）應(yīng)用中取代了機(jī)械陀螺儀。機(jī)械陀螺儀仍然提供最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此是潛艇和某些飛機(jī)中關(guān)鍵航位推算應(yīng)用的首選。
| / | 機(jī)械的 | FOG | RLG | 石英/MEMS |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 潛艇、宇宙飛船、飛機(jī) | 智能武器、許多汽車(chē)和商業(yè)以及軍事航空航天和導(dǎo)航應(yīng)用 | 智能武器、許多汽車(chē)和商業(yè)以及軍事航空航天和導(dǎo)航應(yīng)用 | 消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)市場(chǎng) |
| 優(yōu)點(diǎn) | 最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 | 小型、固態(tài)、堅(jiān)固且比機(jī)械陀螺儀便宜 | 小型、固態(tài)、堅(jiān)固且比機(jī)械陀螺儀便宜 | 與 RLG 和 FOG 相同，但更小、更便宜 |
| 缺點(diǎn) | 成本高，結(jié)構(gòu)相對(duì)較大/較重 | 它們?nèi)狈C(jī)械陀螺儀的超長(zhǎng)期穩(wěn)定性 | 它們?nèi)狈C(jī)械陀螺儀的超長(zhǎng)期穩(wěn)定性 | 它們?nèi)狈C(jī)械陀螺儀的超長(zhǎng)期穩(wěn)定性 |
加速度計(jì)是測(cè)量速度隨時(shí)間變化的傳感器。創(chuàng)建這些傳感器需要采用多種關(guān)鍵技術(shù)。它們本質(zhì)上是由彈簧懸掛的“證明”質(zhì)量。彈簧的縱向方向稱(chēng)為“靈敏度軸”。
G-Link-200-8G 無(wú)線三軸加速度傳感器
當(dāng)傳感器沿該軸受到速度變化時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量將移動(dòng)，壓縮彈簧。這種壓縮量與加速度成正比，因此我們可以測(cè)量并輸出該值。加速度的單位是 g（又名“G 力”），也稱(chēng)為米每平方秒。
每個(gè)人都知道老式指南針：磁化針可以自由指向位于北極附近的地球磁北。從最基本的意義上來(lái)說(shuō)，指南針是一個(gè)磁力計(jì)。然而，對(duì)于我們的 IMU 和 INS 系統(tǒng)，我們需要更詳細(xì)地測(cè)量磁場(chǎng)。
經(jīng)典羅盤(pán)
磁力計(jì)可以基于多種技術(shù)，包括霍爾效應(yīng)、磁二極管、洛倫茲力 MEMS、磁通門(mén)等等?；?MEMS 的磁力計(jì)傳感器如今特別受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢灾圃斓梅浅Ｐ?、精確且便宜。在當(dāng)今的許多 IMU、INS 和 AHRS 系統(tǒng)中，磁力計(jì)提供三維航向參考。
卡爾曼濾波是一種本質(zhì)上將傳感器數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)融合的算法。這是一個(gè)兩階段實(shí)時(shí)線性二次方程，其中第一階段預(yù)測(cè)并加權(quán)各種輸入的準(zhǔn)確性，第二階段對(duì)輸入應(yīng)用加權(quán)平均值。這種遞歸過(guò)程提高了 GPS/GNSS 系統(tǒng)導(dǎo)航輸出的精度，并且是慣性導(dǎo)航精度不可或缺的一部分。
INS 系統(tǒng)廣泛用于各種應(yīng)用。幾乎所有這些都以導(dǎo)航為中心，包括：
? 道路車(chē)輛導(dǎo)航 - 汽車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)、摩托車(chē)
? 空中導(dǎo)航 - 商用和軍用飛機(jī)
? 越野導(dǎo)航 -軍車(chē)、農(nóng)用車(chē)、拖拉機(jī)、農(nóng)用車(chē)等
? 太空導(dǎo)航 - 航天器和衛(wèi)星
? 水下和水面船舶導(dǎo)航 - 船只、船舶和潛艇
? 采礦和鉆探隧道 - 計(jì)算地下距離和方向
? 武器制導(dǎo) ——導(dǎo)彈和其他制導(dǎo)彈藥
? 道路車(chē)輛測(cè)試 -自動(dòng)駕駛車(chē)輛的ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）測(cè)試、測(cè)試跑道測(cè)試
希望本文能夠幫助您了解 IMU 和 INS 系統(tǒng)是什么以及它們?nèi)绾喂ぷ?。您已?jīng)看到它們對(duì)于廣泛的應(yīng)用程序有多么重要。沒(méi)有它們，潛艇和航天器就無(wú)法航行，陸地車(chē)輛和飛機(jī)也將陷入困境。
使用 GPS/GNSS 和相關(guān)技術(shù)來(lái)測(cè)試當(dāng)今汽車(chē)的高級(jí)駕駛輔助功能幾乎是不可能的。隨著機(jī)器、各種車(chē)輛、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人越來(lái)越成為現(xiàn)代世界的一部分，對(duì) GNSS 和導(dǎo)航系統(tǒng)的需求只會(huì)增加。
? 3DMCX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DMGX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DMCV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級(jí)嵌入式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DMGV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級(jí)加固慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DMGX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
