IMU(英文:Inertial measurement unit,簡稱 IMU)
百科:測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置。一般情況下,一個IMU內會裝有三軸的陀螺儀和三個方向的加速度計,分別用來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。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。
官方文檔:普通六軸IMU,包含三軸陀螺儀和三軸加速度計,一般還包括一個溫度感測器
可以想像一個小球裝在一個感應的小盒子裏。水平放置的時候,重力使得小球與下表面接觸,下表面會產生一個向上的力,與重力相抵消,則產生一個向上的加速度,大小為G。
(這樣,我們假設IMU的測量範圍是正負16G,則測得向上加速度為16個G的時候,真實物體向上的加速度只有15個G。反之,向下測得有16個G的時候,真實加速度有17個G。)
這個物理概念在地理課上可能說過,這是為什麼北半球的龍捲風及水漩渦的旋轉方向都是逆時針旋轉的原理。如果物體發生旋轉,則一定會產生科裏奧利力,通過微結構探測科裏奧利力即可測得旋轉角速度。
IMU的使用範圍非常廣,從宇航,到汽車及消費電子都有IMU的身影。
借用陳光:無人駕駛技術入門(四)| 百度無人車感測器 IMU 深入剖析使用的這張圖,我們可以清楚的看到不同級別的IMU價格和使用場景差別很大。對於自己產品的選型主要考慮的就是需求、性能、價格等方面,根據不同IMU的使用及價格分佈,可以有個初步參考。
考慮到大範圍使用的應該都是低價產品,則在精度上可能會有所折扣。但可以通過利用其他感測器的數據對IMU數據做一個修正,便能達到較好的精度要求,比如常用的GPS、超聲、視覺等常用定位感測器。
IMU在使用上可以分為硬體和軟體兩個方面。
此外,在使用IMU數據之前,一般會對IMU原始數據進行濾波。可以分為物理濾波和軟體濾波,
物理濾波俗稱減震。對於加速計而言,可以不用去及時反應物體得姿態變化,所以減震上就要求(軟一點),但是對於陀螺儀而言就完全相反,要求(硬一點),這使得IMU的減震取捨是一個比較大的難題。
軟體濾波就是使用巴特沃斯之類的濾波器,對於感測器數據的高頻信號進行濾波,而濾波的頻段,也是一個需要經驗摸索的過程。
IMU感測器能輸出加速度和旋轉角速度,一般怎麼處理相關數據呢?
加速度的處理,我們很熟悉,用到的知識就是高中物理知識,如下:
位置計算
速度計算(使用到了加速度a)這裡得注意在豎直方向上要將重力產生的加速度影響去掉。
陀螺儀的處理,一般是採用四元數的方法來進行更新,避免萬向鎖的困擾,四元數及歐拉角可以參考:
將角速度帶入上述公式後,求得更新得四元數,由四元數求解姿態角。