IMU 惯性测量单元 简单介绍（一）

  • IMU 传感器
    • 陀螺仪
    • 加速度计
    • 磁力计
  • IMUs
    • 稳定平台系统 Stable Platform System
    • 捷联系统 Strapdown System
  • MEMS IMUs 误差特性
    • 1. 校准误差
    • 2. 通电偏置
    • 3. 热机械噪声
    • 4. 偏置不稳定性
      • Allan方差分析：

IMU 传感器

  1. 惯性测量单元的组成
    惯性测量单元由 accelerometers 加速度计, (rate) gyroscopes 陀螺仪 和 magnetometers 磁力计组成。
  2. 传感器融合的作用：
    提高传感器数据的质量，降低噪声
    提高数据的可靠性
    估算状态/位置 (加速度计+陀螺仪)

陀螺仪

陀螺仪是测量方向的变化即角速度的检测装置。陀螺仪种类主要包括：机械陀螺仪、光速陀螺仪、MEMS微电子机械系统陀螺仪（科里奥利效应指的是一种在旋转坐标系中移动的物体发生偏转的现象）等。

整理两个坐标系概念：

  1. global frame / earth frame：East-North-Up坐标系，中文：北美东部(导航坐标系统) ，地球每小时旋转15°。
  2. 惯性坐标系 inertial frame：每一个具有恒定（零或非零）速度和零旋转速度的坐标系都是一个惯性坐标系。例如：宇宙、宇宙飞船以光速的一半直线穿过宇宙

优缺点：

传感器 缺点
机械陀螺仪 体积较大，难以消除与摩擦力相关误差，测量前需要加快飞轮速度
光速陀螺仪 价格较贵，0.2kg大约1000欧元；要求光路长，敏感度高
微电子机械系统陀螺仪 精度较差，需要连续激励
磁力计 局部磁场容易受到铁磁材料和电子设备的干扰

加速度计

加速度计测量速度的变化和重力相关的加速度的组合，在自由落体时为0，高度经度纬度都对其值有影响。

磁力计

磁力计测量局部磁场的方向和强度，需要掌握洛伦兹力和霍尔效应相关知识。
洛伦兹力：左手定则，磁场线穿手心，四指指向正电荷的运动方向，大拇指则为洛伦兹力的方向。考虑电场的公式：F=q(E+v×B)F = q(E + v × B)F=q(E+v×B)

IMUs

稳定平台系统 Stable Platform System

信号处理过程：对测得的加速度进行双重积分得到位置信息。

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加速度计信号
重力修正
积分
积分
位置

捷联系统 Strapdown System

组成：3D MEMS陀螺仪 + 3D MEMS加速度计 + 3D MEMS磁力计
Idea: IMU 直接安装在物体上，所以orientation的信息不能直接被获取，需要通过捷联积分推导（用三轴或四元数转换）
信号处理过程：
角速度的捷联积分
测得的加速度的坐标变换
转换后的加速度的二次积分

MEMS IMUs 误差特性

1. 校准误差

校准误差包括偏置bias，缩放和非线性，坐标轴的非正交和非对齐，是确定性的恒定误差，可以通过校准消除。

2. 通电偏置

通电时产生的通电偏置，需要静待一段时间。

3. 热机械噪声

4. 偏置不稳定性

(闪光) 粉红噪声，主要是中低频段，例如：瀑布生，细雨声

Allan方差分析：

  • 将一长串数据分成长度为t的部分
  • 求每个bin中的数据平均值，a1; a2; …
  • 计算Allan方差a2a^2a2和Allan偏差aaa：
    a2=avg[12(a2−a1)2+12(a3−a2)2,...]a^2 = avg[\frac{1}{2}(a_2-a_1)^2+\frac{1}{2}(a_3-a_2)^2,...]a2=avg[21​(a2​−a1​)2+21​(a3​−a2​)2,...]
  • 针对不同大小的时间间隔重复此操作，并在logtlogtlogt上绘制 logalogaloga
  • 白噪声表现为图中斜率不变的直线部分
  • 偏差不稳定性表现为最小值附近的平坦区域

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