IMU为嵌入式应用提供更精细的定位分辨率

全球导航卫星系统 （GNSS） 非常有用，能够定位全球任意位置已正确启用此功能的系统，但仅仅使用 GNSS 接收器进行定位也存在一些问题。使用惯性测量装置 （IMU） 对 GNSS 进行补充，则可以克服这些问题。

IMU 采用陀螺仪、加速计和磁力仪，基于初始起点测量位置。本文将讨论它的嵌入式应用，然后再介绍一些适当的解决方案示例以及使用方法。

IMU 如何补充 GNSS

GNSS 存在四个问题。首先，GNSS 信号具有很强的指向性，因此会被建筑物遮挡。其次，接收器有几十秒到一分钟甚至更长时间的热启动和冷启动时间。接收器需要利用启动时间采集并锁定定位所需的多个卫星信号。

第三，GNSS 的位置更新率被限制为每秒一次。这对追踪缓慢移动的大型物体而言没有问题，但对许多嵌入式应用而言，启动时间太长而且更新率太慢。第四，GNSS 精确到米，对于大多数嵌入式应用而言不够精确。这类应用种类繁多，例如不涉及地面交通的机器人和虚拟现实等。

IMU 提供了许多嵌入式应用所需的更精细的定位分辨率和更快的更新率。并且，和 GNSS 接收器提供绝对定位信息相反，IMU 提供距离已知起点的相对位置信息，因此这两种位置传感器可互为补充。

现代电子 IMU 以板安装电子元件的方式提供，以微机电系统 （MEMS） 技术为基础，因此体积小、重量轻且相对坚固。它们具有可变的自由度 （DOF） 能力，而且与 GNSS 接收器不同，IMU 不依赖无线电信号。IMU 的耗电量极低，可通过各种供应源获取具有广泛分辨率和精度的产品。

借助这些特性，IMU 可用于增强 GNSS 接收器的定位信息。（请参阅“使用 GNSS 模块快速设计位置跟踪系统”。）

IMU 剖析

运动传感器对物理运动做出响应并进行检测，包括加速度、移动速率或距离等参数。惯性传感器是一种特殊的运动传感器。IMU 将各种运动传感器集成到一个器件中，可提供高精度定位信息。它们对传感器自身的运动做出响应。

IMU 整合了以下一种或多种运动传感器类型：

陀螺仪传感器测量角度位置变化，通常以每秒度数表示。随时间进行角速率积分可测得行程角度，用于追踪方向变化。陀螺仪传感器提供一个、两个或三个轴，分别对应俯仰角、翻滚角和偏航角。陀螺仪追踪与重力无关的相对运动，因此传感器偏置或积分误差会造成称为“漂移”的位置误差。

加速计传感器测量线性加速度，包括设备运动造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度以 G 为单位，是地球重力（1 G = 9.8 米/秒2）的倍数。加速计提供一个、两个或三个轴，分别定义 X、Y、Z 坐标系。通过计算测得的器件角度并进行重力补偿，可使用加速计数据来测量静态设备方向。复杂运动周期会令方向计算变得复杂。

磁传感器测量磁场强度，通常以微特斯拉 （µT） 或高斯（100 µT = 1 高斯）为单位。移动电子设备中最常用的磁传感器是三轴霍尔效应磁力仪。根据地理位置，地球磁场幅度介于 25 到 65 µT 之间，且倾斜角度各不同。就美国大陆而言，强度介于 45 到 55 µT 之间，角度为 50 - 80 度。通过计算检测到的地球磁场角度，并将此测量的角度与加速计测量的重力进行比较，即可非常精确地测量出设备相对于地磁北极的航向。要获得正北航向，还需要根据当前经纬度进行调节。

压力传感器测量差压或绝对压力，单位通常为百帕 （hPa） 或毫巴 （mbar），二者等效。海平面标准气压定义为 1013.25 hPa。海拔高度变化会导致检测到的环境气压发生相应变化，可用于追踪垂直运动。

使用 IMU 的运动追踪采用传感器融合，根据已知的起点和方向，推导单一、高精度的相对设备方向和位置估计值。传感器融合涉及使用 IMU 制造商或应用开发人员开发的复杂数学算法来组合 IMU 的各种运动传感器输出。使用传感器融合进行位置计算可得到以下测量结果：

重力 – 具体而言地球重力，且不含设备感应到的由运动造成的加速度。当 IMU 静止时，加速计测量重力矢量。当 IMU 运动时，重力测量需要融合加速计和陀螺仪的数据，并减去运动造成的加速度。需要相对于地球来检测方向的应用可使用重力测量。

线性加速度 – 等于加速计测得的设备加速度，但要减去重力矢量。IMU 线性加速度可用于测量三维空间中的运动。该值的精度取决于重力矢量的追踪精度。

方向（海拔高度）– 欧拉角集合，包括偏航角、俯仰角、翻滚角，测量单位为度。

旋转矢量 – 由加速计、陀螺仪和磁力仪传感器的数据组合得出。旋转矢量表示围绕特定轴的旋转角度。

IMU 可用于各种应用，包括消费品（手机）、医学（成像）、工业（机器人）和军工（航向跟踪）。所需 IMU 精度取决于应用要求。

六种自由度

自由度 （DOF） 指刚性物体在三维空间中的可能运动。3D 空间中只有六种 DOF：三个线性转换 DOF（前/后、上/下、左/右）和三个旋转 DOF（偏航、仰俯和翻滚）。无论运动有多复杂，空间内任何可能的刚性物体运动都能以六种基本 DOF 的组合来表示。

但在 IMU 领域内，有很多 9 DOF 甚至 10 DOF 传感器的叫法。考虑到总共只有六种用于描述运动的 DOF，这种命名规则会造成相当的困扰。9 DOF 这一数字命名源于累计 IMU 内所含各种传感器的 DOF。因此，如果 IMU 包含一个 3 DOF 加速计、一个 3 DOF 陀螺仪和一个 3 DOF 磁力仪，则称之为 9 DOF IMU。再增加一个气压传感器用于测量海拔高度，就会得到一个 10 DOF IMU。

市场上有各种价格和功能的 IMU。例如，DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 传感器板是一种紧凑型 IMU 板，集成了一个 Analog Devices ADXL345 加速计、一个 Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力仪、一个 TDK Invensense 陀螺仪和一个 Bosch Sensortec 气压传感器。

图 1：DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 传感器板集成了加速计、磁力仪、陀螺仪和气压传感器。（图片来源：DFRobot）

主流 SEN0140 传感器的测量规格如下：

ADXL345 加速计：±16 g，13 位分辨率（在所有 g 量程内保持 4 mg/LSB 的比例系数）

Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力仪：±8 高斯满量程磁场

TDK Invensense 陀螺仪：满量程 ±2000°/秒

Bosch Sensortec 气压传感器：4.35 PSI 至 15.95 PSI（30 kPa 至 110 kPa）

所有这四个传感器都连接到板上的单一 SPI 串口，这意味着嵌入式处理器必须单独对每个处理器进行寻址和查询。DFRobot 的 SEN0140 还采用低噪声 LDO，为传感器提供 3 至 8 伏稳压电源。

使用现有 Arduino 库，DFRobot 的 10 DOF IMU 能直接兼容 Arduino 开发板。该器件还可用于具有 SPI 端口的任何微处理器或微控制器系统。

以下是从 DFRobot 的 SEN0140 10 DOF 开发板提取传感器数据的 Arduino 代码示例（列表 1）：

复制 #include #include #include #include #include float angles［3］; // yaw pitch roll float heading; short temperature; long pressure; // Set the FreeSixIMU object FreeSixIMU sixDOF = FreeSixIMU（）; HMC5883L compass; // Record any errors that may occur in the compass.int error = 0; void setup（）{ Serial.begin（9600）; Wire.begin（）; delay（5）; sixDOF.init（）; //init the Acc and Gyro delay（5）; compass = HMC5883L（）; // init HMC5883 error = compass.SetScale（1.3）; // Set the scale of the compass.error = compass.SetMeasurementMode（Measurement_Continuous）; // Set the measurement mode to Continuous if（error ！= 0） // If there is an error， print it out.Serial.println（compass.GetErrorText（error））; bmp085Calibration（）; // init barometric pressure sensor } void loop（）{ sixDOF.getEuler（angles）; temperature = bmp085GetTemperature（bmp085ReadUT（））; pressure = bmp085GetPressure（bmp085ReadUP（））; getHeading（）; PrintData（）; delay（300）; } void getHeading（）{ // Retrive the raw values from the compass （not scaled）.MagnetometerRaw raw = compass.ReadRawAxis（）; // Retrived the scaled values from the compass （scaled to the configured scale）.MagnetometerScaled scaled = compass.ReadScaledAxis（）; // Values are accessed like so： int MilliGauss_OnThe_XAxis = scaled.XAxis;// （or YAxis， or ZAxis） // Calculate heading when the magnetometer is level， then correct for signs of axis.heading = atan2（scaled.YAxis， scaled.XAxis）; float declinationAngle = 0.0457; heading += declinationAngle; // Correct for when signs are reversed.if（heading 《 0） heading += 2*PI; // Check for wrap due to addition of declination.if（heading 》 2*PI） heading -= 2*PI; // Convert radians to degrees for readability.heading = heading * 180/M_PI; } void PrintData（）{ Serial.print（“Eular Angle： ”）; Serial.print（angles［0］）; Serial.print（“ ”）; Serial.print（angles［1］）; Serial.print（“ ”）; Serial.print（angles［2］）; Serial.print（“ ”）; Serial.print（“Heading： ”）; Serial.print（heading）; Serial.print（“ ”）; Serial.print（“Pressure： ”）; Serial.print（pressure， DEC）; Serial.println（“ Pa”）; }

列表 1：这是从 DFRobot 的 SEN0140 10DOF 开发板提取传感器数据的 Arduino 代码示例。（代码来源：DFRobot）

此 Arduino 代码可生成图 2 所示输出。

图 2：上述 Arduino 代码生成此输出，显示 SEN0140 传感器的状态。（图片来源：DFRobot）

Digilent 的 410-326 9 轴 IMU/气压计基于 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，该 IMU 整合如下规格的 3D 加速计、3D 陀螺仪和 3D 磁力仪：

±2/±4/±8/±16 g 满量程线性加速度（3D 加速计）

±245/±500/±2000°/秒满量程角速率（3D 陀螺仪）

±4/±8/±12/±16 高斯满量程磁场（3D 磁力仪）

所有三种运动传感器—加速计、陀螺仪和磁力仪—都集成到一个小型封装中，并通过 LSM9DS1 的 I2C 接口进行连接。

图 3：Digilent 的 410-326 9 轴 IMU/气压计使用 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，该 IMU 在一个封装中整合了 3D 加速计、3D 陀螺仪和 3D 磁力仪。（图片来源：Digilent）

Thales Visionix 的 NavChip 精密 6 轴 MEMS IMU 源自军工技术，可以 1 kHz 的速率进行位置数据采集和处理。然后，以用户可选择的低至 200 Hz（或更低）的速率处理并集成数据。它还使用工厂校准和嵌入式温度传感器进行补偿，以纠正其他传感器的偏置、比例系数和错位。其加速计和磁力仪的规格如下：

加速计：满量程角速率 2000°/s

磁力仪：满量程加速度 ±16g

NavChip 模块带有 TTL UART 和 SPI 端口，并具有 1 个脉冲/秒的输入，用于同步 GPS 模块。提供 V14447-03-02 RS-422 评估套件，让原型设计更加轻松。模块有内置测试 （BIT） 模式，可按指令测试，并提供连续诊断监测。该装置已进行工厂校准，并在 -40°C 至 +85°C 的工作温度范围内提供温度补偿。

Thales 利用工厂校准和温度补偿，在 NavChip 模块的规格书中增加了一系列稳定性规格，这在其他大多数商用 IMU 规格书中是没有的：

陀螺仪偏置运行稳定性：5°/小时

角向随机游走：0.18°/√小时

速度随机游走：0.03 米/秒/√小时

软件角度

有了本文所列的所有 IMU，编写如以上 Arduino 代码列表所示的提取原始传感器数据的软件并不困难。但是，将这些传感器读数集成为可用的导航数据才是更复杂的任务。一些开源程序包专门设计为将 IMU 数据整合到应用中。

ArduPilot Mega （APM） 便是这样一款专为自主式无人机而开发的程序。它支持驾驶和无人驾驶（完全自主）飞行，包括数百个 GPS 航点、摄像机控制、自主起飞和着陆。由于是开源程序，IMU 代码可开放检查，并能改用于其他类型的应用。

来自 Open Source Robotics Foundation 的机器人操作系统 （ROS） 提供了编写机器人软件的灵活框架。它集合了众多工具、库和惯例，旨在简化跨众多机器人平台创建复杂而强大的机器人行为的任务。ROS 包含多个 IMU 的接口代码，以便为其导航模块提供信息。

总结

许多嵌入式应用需要能够在全球任意位置实现系统定位。仅 GNSS 接收器是不够的，但有了 IMU 的补充，则可实现更精准的定位和更快的更新率。