昔日導航「心臟」已成為智能生活的明日之星：慣性測量單元

IMU，Inertial Measurement Unit，即慣性測量單元。如今IMU已不僅限於專業導航中使用，其應用範圍涉獵廣泛：遠至軍事防禦、航空航天、海事等領域，近至日常的微信定位、智能手機、汽車/火車、無人駕駛、智能家居等方面均會使用。

MEMS-IMU發展之路「前途廣闊」

基於傳統慣性器件的特點，將MEMS與之結合可極大地改善傳統慣性器件的缺點。MEMS是將微電子技術和機械工程融合到一起的工業技術，伴隨著製作集成電路的硅半導體工藝的完善，20世紀80年代出現的微型機械、微型感測器和微型執行器的微機械製造技術，使得MEMS技術成為現實產品，滿足不同需求的應用領域。根據對MEMS-IMU精度要求不同，大概可將其分為低精度、中精度和高精度三類。

（1）低精度MEMS-IMU

應美盛（InvenSense）旗下的 ICM-20602 6軸慣性感測器（3軸加速度計 + 3軸陀螺儀）全面支持谷歌 Daydream 和 Tango 的要求，可批量生產應用於 Daydream 認證和兼容Tango的智能手機，以構建的 VR/AR 生態系統。這便是低精度MEMS-IMU應用的一個成功案例。總結來看低精度MEMS-IMU主要用於消費電子類的產品，其應用範圍極為廣泛，可用於手機、遊戲機、音樂播放器、無線滑鼠、數碼相機、硬碟保護器、智能玩具、計步器、防盜系統等。與環境感測器等器件結合，可實現助聽、運動感測等功能。這類低精度的MEMS-IMU主要要求是：單價低、尺寸小、溫度範圍窄。

應美盛ICM-20602 6軸慣性感測器

低精度MEMS-IMU：加速度計尺寸小、重量輕、功耗低，一般測量範圍1~50g，解析度2mg~10mg，陀螺儀一般量程在±300°/s，零偏在500°/h~1000°/h範圍內。

（2）中精度MEMS-IMU

相比低精度MEMS-IMU，中精度MEMS-IMU主要用於汽車級及工業級產品。

在汽車級產品中，中精度MEMS-IMU不僅可用於GPS 輔助導航系統，而其對於車電子穩定系統、汽車安全氣囊、車輛姿態測量也有奇效。例如IMU可以用作高精度定位、汽車自身姿態的判斷，即使在GPS信號丟失或有阻隔的情形中，IMU也可為汽車提供可靠的信息，這便可確保汽車主動安全，是自動駕駛的關鍵組件之一。再比如，近些年汽車車身穩定系統的標配ESP中，IMU就是其中的關鍵組件。汽車級可作為一個工業應用的特殊產品，對其可靠性要求高，同時由於需求數量大，和一般工業要求不同的是要求單價低。

在工業級產品中，中精度MEMS-IMU可應用於精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀錶、工程機械等。還記得，Atlas高端類人機器人驚人的平衡感嗎？那個摔倒了還可以自己爬起來的神奇機器人，其超強的平衡感要部分歸功於其體內的IMU。說起在工業領域使用的慣性感測器，大多以模塊形式出現，對於應用於工業級晶元級產品，還必須進行處理，包括軟體和硬體電路，以及對不同工業環境的適應性，大多數要求價格適中，精度要求要優於應用於消費電子類的感測器。

Atlas高端類人機器人

中精度MEMS-IMU：加速度計的量程選擇比較寬1~500g，解析度1mg~3mg，陀螺儀量程大多250°/s以內，零偏在50°/h~200°/h範圍內。

（3）高精度MEMS-IMU

高精度IMU可解決複雜航空航天系統中慣性感測器的部署難題，如航空電子系統所採用的IMU是ADIS16485/8，滿足一切性能和可靠性目標。高精度MEMS-IMU主要用于軍用級和宇航級產品，要求高精度、全溫區、抗衝擊等。主要應用於通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用、飛機和導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器、船舶儀器、戰場機器人等。軍工級或宇航級的MEMS-IMU精度要求高、工作溫度範圍寬，某些兵器產品要求抗衝擊能力強，尺寸要比光纖和機械類產品更小。

ADIS16488慣性測量單元

高精度MEMS-IMU：加速度計量程範圍比較寬1g~5000g，解析度要0.1mg~1mg範圍內，甚至更高。陀螺儀量程要求範圍寬20°/s~1000°/s，頻率響應高，要求在50Hz~1000Hz之間，零偏穩定性在1°/h~50°/h範圍內。

如今MEMS-IMU正在向更高集成度和更高精度的方向發展。其中MEMS陀螺儀的發展極為明顯，其性能也在接近或者已經達到戰術級應用的水平；而MEMS加速度計是商業市場化最為成功的，其精度已經能夠滿足戰略導彈的應用要求，但目前MEMS加速度計的精度水平還不是很高。MEMS慣性器件在結構設計、製作工藝、集成化、電路設計、封裝及試驗系統等方面還存在許多的問題，需要進一步解決。MEMS慣性感測器的研究熱點和發展方向是精度高、環境適應能力強和多感測器集成化等，其中MEMS慣性感測器件的設計和製造元器件所需的生產工具也是一個重要的研究方向。

IMU簡介

IMU，慣性測量單元，是一種使用加速度計和陀螺儀來測量物體三軸姿態角（或角速率）以及加速度的裝置。狹義上，一個IMU 內在正交的三軸上安裝陀螺儀和加速度計，共 6 個自由度，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度，這就是我們熟知的「6軸IMU」；廣義上，IMU可在加速度計和陀螺儀的基礎上加入磁力計，可形成如今已被大眾知曉的「9軸IMU」。

其中加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀檢測載體相對於導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，並以此解算出物體的姿態。IMU在導航中的核心價值無可替代，為了提高其可靠性，還可以為每個單軸配備更多種類的感測器。為保證測量準確性，一般IMU要安裝在被測物體的重心上。

一種IMU原理示意圖

影響IMU性能的主要因素

MEMS-IMU主要誤差源

將IMU的誤差源歸類後主要有以下四類：

（1）加速度計影響因素

在IMU中，加速度計對其的影響主要體現在加速度計的精度和穩定性兩個方面。其中加速度計的高精度是為保障後續數據處理的精確性，加速度計的穩定性則是直接影響IMU能否發揮出正常性能的關鍵因素。

其中加速度計精度可採用6位置靜態標定法。將IMU器件安裝完畢後，按照下圖的六個位置分別收集三個方向加速度計的數據。

加速度計靜態六位置

（2）陀螺儀影響因素

陀螺儀對IMU的影響主要體現在其精確性上，其精確性將直接影響姿態解算的優劣程度，換句話說，最後IMU能否正確感知產品的姿態就是依靠陀螺儀的精確性。

陀螺儀誤差模型與加速度計類似，採用的標定方法是動態旋轉的，將IMU置於單軸轉檯中，令每個軸向上、向下，並分別以50°/s、100°/s、150°/s、200°/s、250°/s的轉速轉動正反方向，並收集足夠的數據。

陀螺儀的動態標定

除精確性外，MEMS陀螺的性能指標主要有：標度因數（與比例因子互為倒數）、標度因數非線性、零偏、零偏穩定性、零偏重複性。這些指標系統的反映了陀螺儀的性能，因此有必要對其進行相應的測試，掌握其具體的指標參數。

（3）溫度影響因素

MEMS慣性器件在溫度發生變化時，其精度會產生較大的差異，一般情況下，慣性器件的工作環境不可能是恆溫環境，尤其是陀螺的精度受到嚴重影響，因此溫度的影響不能忽略，以陀螺儀為例，置放慣性器件於恆溫轉檯中試驗，並在不同溫度下收集數據。

微慣性器件的溫度試驗

（4）IMU產品化後主要影響因素

A．信噪比低

信噪比低會造成使用IMU的產品不敏感，因此最棘手的問題便是降噪。一般此種情況可利用小波降噪，對信號進行消噪實際上是抑制信號中的無用部分，增強信號中的有用部分的過程。

慣性器件常用的消噪過程為：a. 信號的小波分解，選擇一個合適的小波並確定分解的層次，然後進行分解計算；b. 小波分解高頻係數的閾值量化，對各個分解尺度下的高頻係數選擇一個閾值進行軟閾值量化處理；c. 小波重構，根據小波分解的最底層低頻係數和各層分解的高頻係數進行一維小波重構。其中最關鍵的是如何選擇閾值以及進行閾值量化處理，它直接關係信號消噪的質量。

B．漂移大/延遲大

對於信號延遲問題，MEMS的常用器件都有存在，在IMU產品中極為明顯。國外研究機構提出利用慣性誤差旋轉調製技術，來解決延遲問題。慣性誤差旋轉調製技術實質上是一種誤差自補償技術，利用IMU周期性轉動完成對慣性器件慢變誤差的調製，是在現有器件精度的條件下實現更高導航精度的有效方法。採用誤差調製技術的慣性導航系統結構發生了變化，旋轉機構的存在導致陀螺儀和加速度計與載體不再固連，但解算依然採用捷聯演算法，因此這種慣性導航系統被稱為旋轉調製型捷聯慣性導航系統。

延伸閱讀：

《加速度計和陀螺儀市場-2016版》

《InvenSense三核處理器+六軸運動感測器：ICM-30630》

《國防、航天航空和工業領域的高端陀螺儀、加速度計和慣性測量單元》

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