IMU中加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)的工作原理

編排 | strongerHuang

來源 | autotian@CSDN

IMU：Inertial Measurement Unit，即慣性測量單元。它是由三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)等多種傳感器組成的模塊。

IMU在無人駕駛汽車、無人機(jī)上面應(yīng)用的比較多，包括手機(jī)等很多電子設(shè)備也有IMU傳感器的存在。

下面就來講講IMU中三軸加速計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)的工作原理。

1、三軸加速度計(jì)

三軸加速度傳感器是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作。

1.測量比力 三軸加速度計(jì)是一種慣性傳感器，能夠測量物體的比力，即去掉重力后的整體加速度或者單位質(zhì)量上作用的非引力。當(dāng)加速度計(jì)保持靜止時，加速度計(jì)能夠感知重力加速度，而整體加速度為零。在自由落體運(yùn)動中，整體加速度就是重力加速度，但加速度計(jì)內(nèi)部處于失重狀態(tài)，而此時三軸加速度計(jì)輸出為零。

2.測量角度

三軸加速度計(jì)的原理能夠用來測量角度。直觀地，如圖所示，彈簧壓縮量由加速度計(jì)與地面的角度決定。比力能夠通過彈簧壓縮長度來測量。因此在沒有外力作用的情況下，加速度計(jì)能夠精確地測量俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，且沒有累積誤差。

MEMS三軸加速度計(jì)是采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的比力(壓力或者位移)分別正比于電阻、電壓和電容的變化。這些變化可以通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。該傳感器的缺點(diǎn)是受振動影響較大。
介于其測量角度的工作原理三軸加速度計(jì)無法測量偏航角：

可測量俯仰角和橫滾角：

2、三軸陀螺儀

三軸陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測量精度直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性。
作用：用于測量單元中的角速度及對角速度積分后角度的計(jì)算
原理：理解三軸陀螺儀的原理首先要知道科里奧利力
科里奧利力 科里奧利力（Coriolis force）有些地方也稱作哥里奧利力，簡稱為科氏力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動的偏移的一種描述?？评飱W利力來自于物體運(yùn)動所具有的慣性。 ---來自百度百科
當(dāng)一個質(zhì)點(diǎn)相對于慣性系做直線運(yùn)動時，因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)自身慣性，它相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認(rèn)為有一個力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡形成曲線?？剖狭褪菍@種偏移的一種描述，表示為：

即本來直線的運(yùn)動當(dāng)放在一個旋轉(zhuǎn)體系中直線軌跡會發(fā)生偏移，而實(shí)際上并直線運(yùn)動的問題并未受到力的作用，設(shè)立這樣一個虛擬的力稱為科里奧利力。

由此我們在陀螺儀中，選用兩塊物體，他們處于不斷的運(yùn)動中，并令他們運(yùn)動的相位相差-180度，即兩個質(zhì)量塊運(yùn)動速度方向相反，而大小相同。它們產(chǎn)生的科氏力相反，從而壓迫兩塊對應(yīng)的電容板移動，產(chǎn)生電容差分變化。電容的變化正比于旋轉(zhuǎn)角速度。由電容即可得到旋轉(zhuǎn)角度變化。

3、三軸磁力計(jì)

磁力計(jì)能提供裝置在XYZ各軸所承受磁場的數(shù)據(jù)，接著相關(guān)數(shù)據(jù)會匯入微控制器的運(yùn)算法，以提供磁北極相關(guān)的航向角，利用這些信息可偵測地理方位。

磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強(qiáng)度。

上圖為一種采用具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料。它們對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致磁阻傳感器電阻值發(fā)生變化。

另外三軸磁力計(jì)還可以采用洛倫茲力原理，電流流過磁場產(chǎn)生力，從而驅(qū)動電容等變化。

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