【技术科普】IMU,AR,AHRS,INS惯性传感器简单介绍

发布于 2023年11月14日 / 技术科普

一、IMU 惯性测量单元

IMU(Inertial Measurement Unit):即“惯性测量单元”,是最基础的惯性传感器,也是惯性传感器的核心部件,由陀螺仪和加速度计组成。陀螺仪是一种用于测量、检测和保持方向稳定的装置。它利用陀螺效应原理,通过感知旋转运动来确定方向信息。陀螺仪主要测量运载体相对于惯性系的角速率或者角度增量。加速度计是一种机电设备,可感应静态或动态加速度。静态力包括重力,而动态力可以包括振动和运动。现在市场上的IMU一般由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成,即可以测量运载体在三维空间的旋转角度增量和线性运动加速度。例如:3DM-GX5-IMU,3DM-CV5-IMU

二、VRU 垂直参考单元

VRU(Vertical Reference Unit):即“垂直参考单元”,硬件结构与IMU相同,不同的是在IMU传感器的基础上,增加了可以利用数学模型积分解算横滚角和俯仰角的卡尔曼滤波算法,以欧拉角,四元数,旋转矩阵的形式输出运载体的三轴姿态数据。VRU也可以输出相对航向角,不过随时间增加有误差累计。VRU的性能非常依赖于工程师的算法能力。

三、AR 姿态参考单元

AR( Attitude Reference ):即“姿态参考单元”,IMU+VRU。既可以输出陀螺仪和加速度计的原始数据,也可以输出滤波器算法结算后的姿态数据。例如:3DM-GV7-AR, 3DM-MV5-AR。

四、AHRS 航姿参考系统

AHRS(Attitude and Heading Reference System ):即“航姿参考系统”,AHRS在VRU的陀螺仪,加速度计以及卡尔曼滤波算法组成的基础之上增加了磁力计这一传感器。因此AHRS既可以通过卡尔曼滤波算法解算运载体在三维空间的三轴俯仰、横滚角,也可以通过地磁场的参考计算绝对航向角,而且不容易漂移。但是如果周围有强磁场,容易受到干扰。磁场和重力场越正交航姿参考的测量效果越好,因此地球纬度越大的地区反而效果差,比如在南北极AHRS基本没法使用。例如:3DM-GV7-AHRS, 3DM-CV7-


五、INS 惯性导航系统

INS(Inertial Navigation System):即“惯性导航系统”,惯导系统硬件一般由IMU结合附属硬件GNSS卫星定位模块组成。算法是基于卡尔曼滤波的捷联惯导。主要应用是测量运载体的运行轨迹和三轴姿态信息。主要原理是利用GNSS全球卫星定位系统测量运载体在三维空间的经纬度以及高程,速度,时间等信息,GNSS信号有时受环境遮挡和多路径效应容易失真甚至失效,所以需要结合IMU数据进行航迹推算。有时也会融合其他传感器,例如里程计测量运载体的实际里程等信息。例如:3DM-GQ7-GNSS/INS