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不羁的旋律

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惯性测量单元(IMU)与 航姿参考系统(AHRS)有什么区别 ?

2022-12-26 #惯性测量单元

之前我们聊了陀螺仪的话题,实际应用中,陀螺仪很少单独使用,往往被集成为 IMU(惯性测量单元),成为很多动态测量应用场景中核心的姿态传感部件,今天让我们来聊聊关于IMU的话题,请大家踊跃参加。

在实际的姿态检测应用中,我们既需要用加速度传感器检测物体如飞行器的横滚、俯仰姿态数据也需要用陀螺仪检测角速度数据,从而精准计算检测对象的空间姿态信息。

单独使用器件级的加速度传感器和陀螺仪,由于器件设计性能差异、工艺水平差异和一致性分布等原因,通常会有比较大的误差,比如灵敏度误差,正交误差,温度漂移等等,所以在使用时需要对这些误差进行精准的标定校正以充分发挥传感器元器件的性能,这就是惯性测量单元 IMU ( Inertial Measurement Unit )这一产品产生的土壤。IMU 是加速度传感器和陀螺仪的组合体,输出被测物体的角速率及线加速度原始数据,通过一系列的工艺和算法校正,修正以上各种误差,让加速度传感器和陀螺仪输出的数据达到最佳水平。比如,陀螺仪本身各种噪声会引起零偏稳定性和角度随机游走性能的偏差,而IMU 通过噪声滤波、零偏温度补偿、灵敏度补偿等标定工艺,对这些偏差进行修正。所以,即使IMU 输出的仅仅是加速度和角速度的原始数据,其精准度也远远优于器件级的加速度传感器和陀螺仪。

基于IMU输出的加速度和陀螺仪的原始数据,要得到航向角度和俯仰角度,就要升级到VRU的概念了,VRU即Vertical Reference Unit, 垂直参考单元(垂直陀螺)。硬件结构与IMU相同,利用卡尔曼滤波算法,在输出IMU的数据基础上,增加俯仰,横滚角度输出,有的VRU也输出相对方位角,也称为欧拉角输出。VRU 能够达到的性能非常依赖于工程师的算法能力。

除此之外,在很多空间和水下的实际应用场景中,除了空间姿态信息,往往还需要知道航向的变化,客户的需求进一步升级,这就引出了AHRS的话题 。

AHRS: Attitude and Heading Reference System ,中文名姿态和航向参考系统,简称航姿参考系统,  是在IMU上增加三轴磁力计,为被测对象(飞行器,车辆,水下设备)提供姿态信息,包括滚转角(Roll)、俯仰角(Pitch)和偏航角(Yaw)。

上面说的IMU(惯性测量单元)和VRU(垂直陀螺、或垂直参考单元)是3轴加速度传感器与3轴陀螺仪的整合,是6轴传感器,针对运动中的横滚、俯仰姿态测量。而电子罗盘,是3轴加速度与3轴地磁传感器的组合,也是6轴传感器,针对静态全方位航向测量,而AHRS(航姿参考系统),则是3轴加速度传感器、3轴陀螺仪与3轴地磁传感器的整合,是一个9轴的传感器,通过复杂的传感器融合算法,同时提供动态的空间姿态和航向信息,在没有参照系的宇宙空间、水下世界、井下工程环境,物体的姿态和航向就是靠AHRS来定义的。


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北京雨燕

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这种说法其实不认同,我简单查了一下,IEEE上关于VRU的论文数量,再看了看WIKI上的名词解释,表示对VRU真的很陌生。如果非要按出不出解算做区分,也不该是VRU,而是INS和IMU做区分。我觉得VRU这个概念更像是那些用MEMS器件做AHRS的厂商,为了区分自己产品的系列而产生的概念,比如Xsens,但那些其实不能算高精度惯导,可能连低精度都勉强,只能算高端消费电子,他也不敢说自己是INS,只适用精度要求不高的场合。

评论发表于2022-12-27
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电子科大~黄伟

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通常IMU都会有解算的,如果只出角速度和加速度,那和单独买加表和陀螺没太大区别了。买回去也不好应用,因为要有高精度三轴转台才能进行坐标系对准等各种校准.

评论发表于2022-12-27
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中船雅克西

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不太明白 VRU 和 IMU 的区别,从描述中感觉是不是想表达 IMU 的两组坐标系没有对齐,只能出原始的加速度和加速度,但如果没有对齐,那怎么相互补偿呢? 也不太明白相对方位角怎么出,这里指的相对方位角,是不是艏向和目标之间的夹角。 通常说的IMU都是三轴加表和三轴陀螺,都是出厂前校准好的,可以直接出航向和姿态,陀螺在高精度惯导领域,其实比拼的还是传感器本身工艺,算法再厉害也不能跨越器件本身的性能优劣。 对于陀螺自身精度、零偏稳定性、随机游走等性能,算法也就只能是微调吧。纵观之前几波风口,也都是器件本身有突破,比如光纤、MEMS,算法几十年来没什么本质的区别。

评论发表于2022-12-27
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MEMS封测_Oxford Lab

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陀螺仪的零漂、刻度因子和三轴非正交误差是陀螺仪三大主要误差,很好地解决这三种误差,对陀螺仪特性有很大的帮助。

评论发表于2022-12-27
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sensor338047

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测量精度能上去就好了

评论发表于2022-12-27
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sensor811560

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成熟是成熟,还是国外代工为主

评论发表于2022-12-27
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sensor343668

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IMU关键是算法,现在陀螺仪芯片已经很成熟了。

评论发表于2022-12-27
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蒲公英Julie

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是温度引起的灵敏度误差?

评论发表于2022-12-26
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sensor945950

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这个比喻很形象 !

评论发表于2022-12-26
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奇瑞智驾Daniel

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对无人驾驶领域,这也是核心技术。如果说 LiDAR 是车辆的眼睛,那么 IMU 、AHRS 就是车辆的小脑,小脑有缺陷,车辆就失去了平衡和方向,不能把控自己的姿态。

评论发表于2022-12-26
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