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全球導航衛星系統 (GNSS) 非常有用，能夠定位全球任意位置已正確啟用此功能的系統，但僅僅使用 GNSS 接收器進行定位也存在一些問題。使用慣性測量裝置 (IMU) 對 GNSS 進行補充，則可以克服這些問題。

IMU 采用陀螺儀、加速計和磁力儀，基于初始起點測量位置。本文將討論它的嵌入式應用，然后再介紹一些適當的解決方案示例以及使用方法。

IMU 如何補充 GNSS

GNSS 存在四個問題。首先，GNSS 信號具有很強的指向性，因此會被建筑物遮擋。其次，接收器有幾十秒到一分鐘甚至更長時間的熱啟動和冷啟動時間。接收器需要利用啟動時間采集并鎖定定位所需的多個衛星信號。

第三，GNSS 的位置更新率被限制為每秒一次。這對追蹤緩慢移動的大型物體而言沒有問題，但對許多嵌入式應用而言，啟動時間太長而且更新率太慢。第四，GNSS 精確到米，對于大多數嵌入式應用而言不夠精確。這類應用種類繁多，例如不涉及地面交通的機器人和虛擬現實等。

IMU 提供了許多嵌入式應用所需的更精細的定位分辨率和更快的更新率。并且，和 GNSS 接收器提供絕對定位信息相反，IMU 提供距離已知起點的相對位置信息，因此這兩種位置傳感器可互為補充。

現代電子 IMU 以板安裝電子元件的方式提供，以微機電系統 (MEMS) 技術為基礎，因此體積小、重量輕且相對堅固。它們具有可變的自由度 (DOF) 能力，而且與 GNSS 接收器不同，IMU 不依賴無線電信號。IMU 的耗電量極低，可通過各種供應源獲取具有廣泛分辨率和精度的產品。

借助這些特性，IMU 可用于增強 GNSS 接收器的定位信息。（請參閱“使用 GNSS 模塊快速設計位置跟蹤系統”。）

IMU 剖析

運動傳感器對物理運動做出響應并進行檢測，包括加速度、移動速率或距離等參數。慣性傳感器是一種特殊的運動傳感器。IMU 將各種運動傳感器集成到一個器件中，可提供高精度定位信息。它們對傳感器自身的運動做出響應。

IMU 整合了以下一種或多種運動傳感器類型：

• 陀螺儀傳感器測量角度位置變化，通常以每秒度數表示。隨時間進行角速率積分可測得行程角度，用于追蹤方向變化。陀螺儀傳感器提供一個、兩個或三個軸，分別對應俯仰角、翻滾角和偏航角。陀螺儀追蹤與重力無關的相對運動，因此傳感器偏置或積分誤差會造成稱為“漂移”的位置誤差。

• 加速計傳感器測量線性加速度，包括設備運動造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度以 G 為單位，是地球重力（1 G = 9.8 米/秒²）的倍數。加速計提供一個、兩個或三個軸，分別定義 X、Y、Z 坐標系。通過計算測得的器件角度并進行重力補償，可使用加速計數據來測量靜態設備方向。復雜運動周期會令方向計算變得復雜。

• 磁傳感器測量磁場強度，通常以微特斯拉 (μT) 或高斯（100 μT = 1 高斯）為單位。移動電子設備中最常用的磁傳感器是三軸霍爾效應磁力儀。根據地理位置，地球磁場幅度介于 25 到 65 μT 之間，且傾斜角度各不同。就美國大陸而言，強度介于 45 到 55 μT 之間，角度為 50 - 80 度。通過計算檢測到的地球磁場角度，并將此測量的角度與加速計測量的重力進行比較，即可非常精確地測量出設備相對于地磁北極的航向。要獲得正北航向，還需要根據當前經緯度進行調節。

• 壓力傳感器測量差壓或絕對壓力，單位通常為百帕 (hPa) 或毫巴 (mbar)，二者等效。海平面標準氣壓定義為 1013.25 hPa。海拔高度變化會導致檢測到的環境氣壓發生相應變化，可用于追蹤垂直運動。

使用 IMU 的運動追蹤采用傳感器融合，根據已知的起點和方向，推導單一、高精度的相對設備方向和位置估計值。傳感器融合涉及使用 IMU 制造商或應用開發人員開發的復雜數學算法來組合 IMU 的各種運動傳感器輸出。使用傳感器融合進行位置計算可得到以下測量結果：

• 重力 – 具體而言地球重力，且不含設備感應到的由運動造成的加速度。當 IMU 靜止時，加速計測量重力矢量。當 IMU 運動時，重力測量需要融合加速計和陀螺儀的數據，并減去運動造成的加速度。需要相對于地球來檢測方向的應用可使用重力測量。

• 線性加速度 – 等于加速計測得的設備加速度，但要減去重力矢量。IMU 線性加速度可用于測量三維空間中的運動。該值的精度取決于重力矢量的追蹤精度。

• 方向（海拔高度）– 歐拉角集合，包括偏航角、俯仰角、翻滾角，測量單位為度。

• 旋轉矢量 – 由加速計、陀螺儀和磁力儀傳感器的數據組合得出。旋轉矢量表示圍繞特定軸的旋轉角度。

IMU 可用于各種應用，包括消費品（手機）、醫學（成像）、工業（機器人）和軍工（航向跟蹤）。所需 IMU 精度取決于應用要求。

六種自由度

自由度 (DOF) 指剛性物體在三維空間中的可能運動。3D 空間中只有六種 DOF：三個線性轉換 DOF（前/后、上/下、左/右）和三個旋轉 DOF（偏航、仰俯和翻滾）。無論運動有多復雜，空間內任何可能的剛性物體運動都能以六種基本 DOF 的組合來表示。

但在 IMU 領域內，有很多 9 DOF 甚至 10 DOF 傳感器的叫法。考慮到總共只有六種用于描述運動的 DOF，這種命名規則會造成相當的困擾。9 DOF 這一數字命名源于累計 IMU 內所含各種傳感器的 DOF。因此，如果 IMU 包含一個 3 DOF 加速計、一個 3 DOF 陀螺儀和一個 3 DOF 磁力儀，則稱之為 9 DOF IMU。再增加一個氣壓傳感器用于測量海拔高度，就會得到一個 10 DOF IMU。

市場上有各種價格和功能的 IMU。例如，DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 傳感器板是一種緊湊型 IMU 板，集成了一個 Analog Devices ADXL345 加速計、一個 Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力儀、一個 TDK Invensense 陀螺儀和一個 Bosch Sensortec 氣壓傳感器。

圖 1：DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 傳感器板集成了加速計、磁力儀、陀螺儀和氣壓傳感器。（圖片來源：DFRobot）

主流 SEN0140 傳感器的測量規格如下：

• ADXL345 加速計：±16 g，13 位分辨率（在所有 g 量程內保持 4 mg/LSB 的比例系數）

• Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力儀：±8 高斯滿量程磁場

• TDK Invensense 陀螺儀：滿量程 ±2000°/秒

• Bosch Sensortec 氣壓傳感器：4.35 PSI 至 15.95 PSI（30 kPa 至 110 kPa）

所有這四個傳感器都連接到板上的單一 SPI 串口，這意味著嵌入式處理器必須單獨對每個處理器進行尋址和查詢。DFRobot 的 SEN0140 還采用低噪聲 LDO，為傳感器提供 3 至 8 伏穩壓電源。

使用現有 Arduino 庫，DFRobot 的 10 DOF IMU 能直接兼容 Arduino 開發板。該器件還可用于具有 SPI 端口的任何微處理器或微控制器系統。

以下是從 DFRobot 的 SEN0140 10 DOF 開發板提取傳感器數據的 Arduino 代碼示例（列表 1）：

復制 #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：這是從 DFRobot 的 SEN0140 10DOF 開發板提取傳感器數據的 Arduino 代碼示例。（代碼來源：DFRobot）

此 Arduino 代碼可生成圖 2 所示輸出。

圖 2：上述 Arduino 代碼生成此輸出，顯示 SEN0140 傳感器的狀態。（圖片來源：DFRobot）

Digilent 的 410-326 9 軸 IMU/氣壓計基于 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，該 IMU 整合如下規格的 3D 加速計、3D 陀螺儀和 3D 磁力儀：

• ±2/±4/±8/±16 g 滿量程線性加速度（3D 加速計）

• ±245/±500/±2000°/秒滿量程角速率（3D 陀螺儀）

• ±4/±8/±12/±16 高斯滿量程磁場（3D 磁力儀）

所有三種運動傳感器—加速計、陀螺儀和磁力儀—都集成到一個小型封裝中，并通過 LSM9DS1 的 I²C 接口進行連接。

圖 3：Digilent 的 410-326 9 軸 IMU/氣壓計使用 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，該 IMU 在一個封裝中整合了 3D 加速計、3D 陀螺儀和 3D 磁力儀。（圖片來源：Digilent）

Thales Visionix 的 NavChip 精密 6 軸 MEMS IMU 源自軍工技術，可以 1 kHz 的速率進行位置數據采集和處理。然后，以用戶可選擇的低至 200 Hz（或更低）的速率處理并集成數據。它還使用工廠校準和嵌入式溫度傳感器進行補償，以糾正其他傳感器的偏置、比例系數和錯位。其加速計和磁力儀的規格如下：

• 加速計：滿量程角速率 2000°/s

• 磁力儀：滿量程加速度 ±16g

NavChip 模塊帶有 TTL UART 和 SPI 端口，并具有 1 個脈沖/秒的輸入，用于同步 GPS 模塊。提供 V14447-03-02 RS-422 評估套件，讓原型設計更加輕松。模塊有內置測試 (BIT) 模式，可按指令測試，并提供連續診斷監測。該裝置已進行工廠校準，并在 -40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內提供溫度補償。

Thales 利用工廠校準和溫度補償，在 NavChip 模塊的規格書中增加了一系列穩定性規格，這在其他大多數商用 IMU 規格書中是沒有的：

• 陀螺儀偏置運行穩定性：5°/小時

• 角向隨機游走：0.18°/√小時

• 速度隨機游走：0.03 米/秒/√小時

軟件角度

有了本文所列的所有 IMU，編寫如以上 Arduino 代碼列表所示的提取原始傳感器數據的軟件并不困難。但是，將這些傳感器讀數集成為可用的導航數據才是更復雜的任務。一些開源程序包專門設計為將 IMU 數據整合到應用中。

ArduPilot Mega (APM) 便是這樣一款專為自主式無人機而開發的程序。它支持駕駛和無人駕駛（完全自主）飛行，包括數百個 GPS 航點、攝像機控制、自主起飛和著陸。由于是開源程序，IMU 代碼可開放檢查，并能改用于其他類型的應用。

來自 Open Source Robotics Foundation 的機器人操作系統 (ROS) 提供了編寫機器人軟件的靈活框架。它集合了眾多工具、庫和慣例，旨在簡化跨眾多機器人平臺創建復雜而強大的機器人行為的任務。ROS 包含多個 IMU 的接口代碼，以便為其導航模塊提供信息。

總結

許多嵌入式應用需要能夠在全球任意位置實現系統定位。僅 GNSS 接收器是不夠的，但有了 IMU 的補充，則可實現更精準的定位和更快的更新率。