朋友们经常问 陀螺仪模块到底是什么,IMU模块,惯导模块。以下是我的理解给大家一个流行的解释:
说明:以下说法是为了方便快速理解而不改变原意的流行解释,而不是正式定义。
6轴,9轴,IMU,VRU和AHRS是什么意思?
6轴9轴的概念很容易理解:直率地说,模块安装了什么,有多少传感器
: 三轴(XYZ)加速度计 三轴(XYZ)陀螺仪(也称角速度传感器)
: 6轴 三轴(XYZ)磁场传感器
可构成6轴模块和IMU9轴模块(惯性测量单元)AHRS(航姿参考系统)
惯性测量单元可输出加速度和角速度。不输出其他信息,如姿态角
: IMU在此基础上,算算法可以输出姿态信息。
在静态状态下,加速度计可以测量重力矢量并作为参考,因此静态俯仰水平滚动角不会漂移,精度相对较高。但由于航向角垂直于重力,没有绝对参考,随着时间的推移,水平方向上的航向角误差会逐渐增大,变得越来越不准确 。
当模块运动时,加速度计不仅测量重力,还测量其他运动加速度(有害加速度),因此重力矢量不能作为模块运动的参考。一个简单的结论是,如果模块长时间处于大移动状态,随着时间的推移,三个欧拉角推移而增加(越来越不准确)。一旦它们静止,俯仰和水平滚动角将再次出现"拉"回到正确的位置,航向角不会校正,因为没有参考。
: VRU在此基础上修改算法可以解决被测物体的全姿态,包括绝对航向角(与地磁北极的夹角)。由于地磁传感器的使用,它必须是一个9轴模块。此外,由于地磁场畸变非常严重,AHRS 在室内也很难获得准确的绝对航向角。
:全球卫星定位系统:Global Position System翻译称为全球卫星定位系统。GPS是第一个出来的,老美命名的也比较骄傲,不考虑后面还有其他国家也做了卫星定位系统,可以这样理解:GPS是GPS牌GPS,后面是中国的北斗牌GPS,毛子格洛纳斯牌GPS等。
全球卫星定位系统,GPS,北斗、格洛纳斯等系统的总称,每个系统都叫一个"星座"
: 卫星/惯导组合导航系统
以下是正式定义:(不感兴趣可以不看)
惯性测量单元(Inertial Measurement Unit) 测量物体三轴角速度和加速度的设备。IMU三轴陀螺仪和三轴加速度计可用于测量物体在三维空间中的角度和加速度。严格意义上IMU仅为用户提供三轴角速度和三轴加速度数据。
垂直参考单元(Vertical Reference Unit)是在IMU在此基础上,以重力向量为参考,以卡尔曼或互补滤波算法为用户提供重力向量参考的俯仰角、横滚角和无参考标准的航向角。6轴姿态模块通常属于这种系统。航向角没有参考,无论模块在哪里,启动后的航向角都是0°(或设定常数)。随着模块工作时间增加,航向角会缓慢累计误差。俯仰角、横滚角由于重力向量参考,在低运动条件下,长时间不会有累积误差。
航姿参考系统(Attitude and Heading Reference System)AHRS系统是在VRU在此基础上,增加了磁力计或光流传感器,为用户提供具有绝对参考的俯仰角、横滚角和航向角的设备,用于为飞机提供准确可靠的姿态和航行信息。我们通常所说的9轴姿态传感器属于这种系统,因为方向角有地磁场参考,所以不会漂移。然而,地磁场非常弱,经常受到周围磁性物体的干扰,因此如何抵抗高机动性下的各种磁干扰AHRS热门研究。
顾名思义,这是一个组合导航系统(Global Navigation Satellite System 简称GNSS,它是GPS,北斗,GLONASS、GALILEO等系统的总称) 与惯性导航(Inertial Navigation System)算法集成各自的优点,为用户提供更准确的姿态和位置信息。
下图是加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、GNSS使用集成算法输出用户所需的姿态信息、位置信息和速度信息作为基本输入。

模块能计算速度和位置吗?
理论是可以的,但实际上不是(没有意义)。
如果没有其他方法来纠正偏差(例如)GPS),然后位置会很快发散,比如HI226模块,加速度积分得到速度,速度积分得到位置。这样,即使在静止条件下,第二个积分也会下降min也会飘几十米。高速运动/机动漂出10米。KM也有可能。真正纯惯导解算稳定的位置应用是高端的IMU(光纤、激光陀螺等。)一般都很有价值。
模块会受到电机等强磁干扰吗?
6轴根本不会,9轴肯定会,而且很大。因此,9轴模式一般不适用于机器人等周围有磁性物质的场合。
解释航向角漂移现象
6轴模块的航向角漂移是不可避免的,但程度不同,设备决定性能,算法不是万能的。需要注意的是,所有姿态模块都需要上电静止1s陀螺零偏左右,否则航向角漂移会更严重,详见产品手册描述。
9轴模块需要配置为9轴模式,地磁通过校准,无地磁空间畸变干扰输出稳定不漂移的方向角,室内环境:桌子、工厂、实验室、仪器设备区域空间磁场畸变非常严重,9轴模式下方向角北精度一般较差,第一次可在室外测试模块性能,在室内比较。
如何简单快专业设备,如何简单快速地评价动态精度?
(以下是定性分析,不能给出定量结果): 一种简单的定性分析方法:将模块水平放置,稳定后拿起模块随机移动(慢慢移动,不要太剧烈,不要超过陀螺量程),运动一定时间(2-5min)回到水平位置后,会发现俯仰横滚角有一个"回正"过程。这是因为加速度计在运动中不再只测量重力矢量,所以不能提供绝对的参考,只能依靠陀螺点来推动姿势,随着时间的推移,纯陀螺点姿势不可避免地会有误差。重新水平放置后,模块处于静态状态,加速度计只测量重力矢量,因此可以继续为俯仰横滚角提供绝对参考,因此"回正"过程。所以,从"回正"本产品的陀螺性能可以简单定性地比较大小幅度(而不是速度)。回正幅度越大,陀螺运动过程中累计误差越大。
另外,这个"回正"肉眼很难看到俯仰横滚的过程,必须用曲线或可视化仪表盘观察。
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