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IMU 运动/惯性传感器

概述

IMU 全称 Inertial Measurement Unit,惯性测量单元,主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器。其原理是采用惯性定律实现的,这些传感器从超小型的的 MEMS 传感器,到测量精度非常高的激光陀螺,无论尺寸只有几个毫米的 MEMS 传感器,到直径几近半米的光纤器件采用的都是这一原理。

根据内置传感器数量不同,IMU 通常可分为三轴、六轴和九轴。

  • 三轴 IMU 即只有三轴陀螺仪的 IMU,其因为只有一个三轴陀螺仪,所以只能感知载体 Pitch(俯仰)、Roll(横摇)、Yaw(偏航)共3个自由度的姿态信息。
  • 六轴 IMU 在三轴 IMU 的基础上加装了三轴加速度计,因此在感知载体姿态的基础上,还能感知载体3个自由度上的加速度信息。
  • 九轴 IMU 在六轴 IMU 的基础上加装了三轴磁强计,由于三轴陀螺仪只能估计载体自身的相对位姿变化(通过加速度计也可获得载体的绝对 roll 和 pitch),单凭三轴陀螺仪无法获取载体的全部姿态信息,而通过三轴磁强计就可以,本质上磁强计的感知原理类似于指南针。

Roll、Pitch、Yaw 和 X、Y、Z 轴的对应关系很容易记不清楚,其实我们可以只用描述性的语言来解释这三个概念,更容易理解。

  • Roll 是翻滚、横摇的意思,想象一下飞机的翻滚状态,就是绕着机身所在的那个轴旋转,对应的是 X 轴;
  • Pitch 是倾斜、俯仰的意思,想象一下飞机起飞或降落,是以翅膀所在的直线为轴旋转,对应的是 Y 轴;
  • Yaw 是偏航的意思,如果要改变飞机的航向,那就是绕着重力方向的轴旋转,对应的是 Z 轴。

九轴传感器

三轴陀螺仪(Gyroscope,角速度传感器)

  • 测量旋转率(角速度)的绝对值,综合计算可得出相对旋转角度
  • 快速精确
  • 不受线性加速度及周围磁场影响
  • 相对的旋转角度在长时间使用后,存在累积误差
  • 单位是 deg/s(度每秒)

三轴加速度计(Accelerometer,重力传感器)

  • 主要用于线性加速度及倾斜度测量,还可以通过计算得出速度相对距离等信息
  • 不能区分重力加速度和其他加速度
  • 线性距离通过综合计算得出,只是相对距离,存在累计误差
  • 单位是 m/s²(米每二次方秒)或 g(1g ≈ 9.8m/s²)

三轴磁力计(Magnetometer,电子罗盘)

  • 测量地磁场,并通过磁场变化得出方向绝对值
  • 易受其他磁场干扰
  • 需要补偿
  • 单位是 Tesla 或者 Gauss(1Tesla = 10000Gauss)

应用场景

IMU(包括陀螺仪、加速度计、罗盘和压力传感器)能够在三维空间中检测、追踪物体的运动,因此在运动场景具有广泛的应用。

例如基于动作和姿势的设备,包括移动设备、可穿戴设备、智能家居设备、汽车和工业设备,IMU 都是其中的核心传感器。

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