IMU(慣性測量單元)

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IMU的另一個意思是Inertial Measurement Unit首字母的縮寫,即慣性測量單元。

特徵
描述
慣性測量單元(英文:Inertial measurement unit,簡稱IMU)是測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置。
陀螺儀及加速度計是IMU的主要元件,其精度直接影響到慣性系統的精度。在實際工作中,由於不可避免的各種干擾因素,而導致陀螺儀及加速度計產生誤差,從初始對準開始,其導航誤差就隨時間而增長,尤其是位置誤差,這是慣導系統的主要缺點。所以需要利用外部信息進行輔助,實現組合導航,使其有效地減小誤差隨時間積累的問題。為了提高可靠性,還可以為每個軸配備更多的感測器。一般而言IMU要安裝在被測物體的重心上。
一般情況,一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀,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。在導航中有著很重要的套用價值。
IMU大多用在需要進行運動控制的設備,如汽車和機器人上。也被用在需要用姿態進行精密位移推算的場合,如潛艇、飛機、飛彈和太空飛行器慣性導航設備等。
概述
利用三軸地磁解耦和三軸加速度計,受外力加速度影響很大,在運動/振動等環境中,輸出方向角誤差較大,此外地磁感測器有缺點,它的絕對參照物是地磁場的磁力線,地磁的特點是使用範圍大,但強度較低,約零點幾高斯,非常容易受到其它磁體的干擾, 如果融合了Z軸陀螺儀的瞬時角度,就可以使系統數據更加穩定。加速度測量的是重力方向,在無外力加速度的情況下,能準確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態角度 並且此角度不會有累積誤差,在更長的時間尺度內都是準確的。但是加速度感測器測角度的缺點是加速度感測器實際上是用MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變,而慣性力與重力本質是一樣的,所以加速度計就不會區分重力加速度與外力加速度,當系統在三維空間變速運動時,它的輸出就不正確了。
陀螺儀輸出角速度是瞬時量,角速度在姿態平衡上不能直接使用, 需要角速度與時間積分計算角度,得到的角度變化量與初始角度相加,就得到目標角度,其中積分時間Dt越小輸出的角度越精確。但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身,並沒有系統外的絕對參照物,加上Dt是不可能無限小的,所以積分的累積誤差會隨著時間的流逝迅速增加,最終導致輸出角度與實際不符,所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間尺度內。
所以在沒有其它參照物的基礎上,要得到較為真實的姿態角,就要利用加權算法揚長避短,結合兩者的優點,擯棄其各自缺點,設計算法在短時間尺度內增加陀螺儀權值,在更長時間尺度內增加加速度權值,這樣系統輸出角度就接近真實值了。
慣性測量裝置IMU的工作原理
慣性測量裝置IMU屬於捷聯式慣導,該系統有三個加速度感測器與三個角速度感測器(陀螺)組成,加速度計用來感受飛機相對於地垂線的加速度分量,速度感測器用來感受飛機的角度信息,該子部件主要有兩個A/D轉換器AD7716BS與64K的E/EPROM存儲器X25650構成,A/D轉換器採用IMU各感測器的模擬變數,轉換為數字信息後經過CPU計算後最後輸出飛機俯仰角度、傾斜角度與側滑角度,E/EPROM存儲器主要存儲了IMU各感測器的線性曲線圖與IMU各感測器的件號與序號,部品在剛開機時,圖像處理單元讀取E/EPROM內的線性曲線參數為後續角度計算提供初始信息。IMU的具體實物見圖。
IMU外觀圖IMU外觀圖

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