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。