慣性傳感器IMU了解一下

近兩年來(lái)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、無(wú)人駕駛、汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化等成為了汽車(chē)行業(yè)的熱點(diǎn)話題，未來(lái)汽車(chē)一定是朝著安全、可靠及舒適的方向發(fā)展。而這一切背后的發(fā)展都離不開(kāi)傳感器的作用，今天我們就來(lái)聊聊用途越來(lái)越廣的慣性傳感器——IMU。

一、慣性傳感器(IMU)簡(jiǎn)介

IMU全稱(chēng)Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元，主要用來(lái)檢測(cè)和測(cè)量加速度與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳感器。其原理是采用慣性定律實(shí)現(xiàn)的，這些傳感器從超小型的的MEMS傳感器，到測(cè)量精度非常高的激光陀螺，無(wú)論尺寸只有幾個(gè)毫米的MEMS傳感器，到直徑幾近半米的光纖器件采用的都是這一原理。

最基礎(chǔ)的慣性傳感器包括加速度計(jì)和角速度計(jì)(陀螺儀)，他們是慣性系統(tǒng)的核心部件，是影響慣性系統(tǒng)性能的主要因素。尤其是陀螺儀其漂移對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差增長(zhǎng)的影響是時(shí)間的三次方函數(shù)。而高精度的陀螺儀制造困難，成本高昂。因此提高陀螺儀的精度、同時(shí)降低其成本也是當(dāng)前追求的目標(biāo)。

陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)：

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的慣性傳感器微機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)/微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)傳感器也逐漸演變成為汽車(chē)傳感器的主要部件。本文這里重點(diǎn)介紹MEMS的六軸慣性傳感器。它主要由三個(gè)軸加速度傳感器及三個(gè)軸的陀螺儀組成。

二、MEMS慣性傳感器分級(jí)、組成及原理

1、MEMS慣性傳感器分級(jí)

目前不管是傳統(tǒng)汽車(chē)還是自動(dòng)駕駛汽車(chē)用的慣性傳感器通常是中低級(jí)的，其特點(diǎn)是更新頻率高(通常為：1kHz)，可提供實(shí)時(shí)位置信息。但它有個(gè)致命的缺點(diǎn)——他的誤差會(huì)隨著時(shí)間的推進(jìn)而增加，所以只能在很短的時(shí)間內(nèi)依賴(lài)慣性傳感器進(jìn)行定位。通常在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中與GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))配合一起使用，稱(chēng)為組合慣導(dǎo)。

2、MEMS慣性傳感器組成及原理

慣性傳感器是對(duì)物理運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)的器件，如線性位移或角度旋轉(zhuǎn)，并將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電子電路進(jìn)行放大和處理。加速度計(jì)和陀螺儀是最常見(jiàn)的兩大類(lèi)MEMS慣性傳感器。加速度計(jì)是敏感軸向加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器;陀螺儀是能夠敏感運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度的傳感器。三個(gè)MEMS加速度計(jì)和三個(gè)MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個(gè)方向的線加速度和3個(gè)方向的加速度的微型慣性測(cè)量組合(Micro Inertial Messurement Unit，MIMU)，慣性微系統(tǒng)利用三維異構(gòu)集成技術(shù)，將MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器和信號(hào)處理電路等功能零件集成在硅芯片內(nèi)，并內(nèi)置算法，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)制導(dǎo)、導(dǎo)航、定位等功能。

(1)MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)是MEMS領(lǐng)域最早開(kāi)始研究的傳感器之一。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。

MEMS加速度計(jì)的工作原理就是靠MEMS中可移動(dòng)部分的慣性。由于中間電容板的質(zhì)量很大，而且它是一種懸臂構(gòu)造，當(dāng)速度變化或者加速度達(dá)到足夠大時(shí)，它所受到的慣性力超過(guò)固定或者支撐它的力，這時(shí)候它會(huì)移動(dòng)，它跟上下電容板之間的距離就會(huì)變化，上下電容就會(huì)因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據(jù)不同測(cè)量范圍，中間電容板懸臂構(gòu)造的強(qiáng)度或者彈性系數(shù)可以設(shè)計(jì)得不同。還有如果要測(cè)量不同方向的加速度，這個(gè)MEMS的結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的不同。電容的變化會(huì)被另外一塊專(zhuān)用芯片轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，有時(shí)還會(huì)把這個(gè)電壓信號(hào)放大。電壓信號(hào)在數(shù)字化后經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，在零點(diǎn)和靈敏度校正后輸出。

加速度計(jì)還有一個(gè)自測(cè)試功能。當(dāng)它剛通電時(shí)，邏輯控制會(huì)向自測(cè)試電路發(fā)出命令。自測(cè)試電路產(chǎn)生一個(gè)直流電壓加載到MEMS芯片的自測(cè)試電路板上，中間可活動(dòng)電容板就會(huì)因靜電吸引而下移。接下來(lái)的處理過(guò)程跟測(cè)試真的加速度一樣。

目前，國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)和慣性器件廠商都開(kāi)展了MEMS加速度計(jì)技術(shù)研究，如美國(guó)的Draper實(shí)驗(yàn)室、Michigan大學(xué)、加州大學(xué)Berkley分校、瑞士Neuchatel大學(xué)、美國(guó)Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國(guó)的BAE公司等。

其中，以Draper實(shí)驗(yàn)室為代表的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的主要工作在于提升MEMS加速度計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。能夠提供實(shí)用化MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。

(2)MEMS陀螺儀角速度計(jì)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)角速率敏感的MEMS陀螺儀角速度計(jì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)性能指標(biāo)，MEMS陀螺儀同樣可以分為三級(jí)：速率級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和慣性級(jí)。速率級(jí)陀螺儀可用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)和無(wú)線鼠標(biāo);戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀適用于工業(yè)控制、智能汽車(chē)、火車(chē)、汽船等領(lǐng)域;慣性級(jí)陀螺儀可用于衛(wèi)星、航空航天的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制。

MEMS陀螺儀角速度計(jì)(MEMS gyroscope)工作原理是利用角動(dòng)量守恒原理及科里奧效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速率。它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。

與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動(dòng)金屬與下層金屬形成電容。當(dāng)陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，他與下面電容板之間的距離機(jī)會(huì)發(fā)生變化，上下電容也就會(huì)因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測(cè)量當(dāng)前的角速度。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究MEMS陀螺儀的機(jī)構(gòu)如下：斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術(shù)大學(xué)、弗萊堡大學(xué)、南安普敦大學(xué)、首爾國(guó)立大學(xué)、根特大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。

(3)慣性傳感器的誤差問(wèn)題

由于制作工藝的原因，慣性傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通常都會(huì)有一定誤差。第一種誤差是偏移誤差，也就是陀螺儀和加速度計(jì)即使在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會(huì)有非零的數(shù)據(jù)輸出。要想得到位移數(shù)據(jù)，我們需要對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行兩次積分。在兩次積分后，即使很小的偏移誤差會(huì)被放大，隨著時(shí)間推進(jìn)，位移誤差會(huì)不斷積累，最終導(dǎo)致我們沒(méi)法再跟蹤物體的位置。第二種誤差是比例誤差，所測(cè)量的輸出和被檢測(cè)輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似，在兩次積分后，隨著時(shí)間推進(jìn)，其造成的位移誤差也會(huì)不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會(huì)導(dǎo)致我們沒(méi)法再跟蹤物體的位置。

三、慣性傳感器應(yīng)用

慣性傳感器能夠?yàn)檐?chē)輛中的所有控制單元提供車(chē)輛的即時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。路線偏移，縱向橫向的擺動(dòng)角速度，以及縱向、橫向和垂直加速度等信號(hào)被準(zhǔn)確采集，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸至數(shù)據(jù)總線。所獲得的信號(hào)用于復(fù)雜的調(diào)節(jié)算法，以增強(qiáng)乘用車(chē)和商用車(chē)(例如，ESC/ESP、ADAS、AD)以及摩托車(chē)(優(yōu)化的曲線 ABS)、工業(yè)車(chē)輛和農(nóng)用車(chē)的舒適性與安全應(yīng)用，如下圖示。

四、MEMS慣性傳感器的發(fā)展

未來(lái)MEMS慣性傳感器的發(fā)展主要有四個(gè)方向：

1、高精度

導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛和個(gè)人穿戴設(shè)備等對(duì)慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細(xì)化測(cè)量需求和智能化的發(fā)展也對(duì)傳感器的精度提出了越來(lái)越高的要求。

2、微型化

器件的微型化可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備便攜性，滿(mǎn)足分布式應(yīng)用要求。微型化是未來(lái)智能傳感設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)。

3、高集成度

無(wú)論是慣性測(cè)量單元還是慣性微系統(tǒng)都是為了提高器件的集成度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在更小的體積內(nèi)具備更多的測(cè)量功能，滿(mǎn)足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。

4、適應(yīng)性強(qiáng)

隨著MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，工作環(huán)境也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高沖擊等，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能夠進(jìn)一步拓寬MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍。