什么是IMU(慣性傳感器) MEMS慣性傳感器分級、組成及原理 慣性傳感器應(yīng)用及發(fā)展

原文標(biāo)題：什么是IMU(慣性傳感器)

近兩年來，車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、無人駕駛、汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化等成為了汽車行業(yè)的熱點話題，未來汽車一定是朝著安全、可靠及舒適的方向發(fā)展。而這一切背后的發(fā)展都離不開傳感器的作用，今天我們就來聊聊用途越來越廣的慣性傳感器——IMU。

一、慣性傳感器（IMU）簡介

IMU全稱Inertial Measurement Unit，慣性測量單元，主要用來檢測和測量加速度與旋轉(zhuǎn)運動的傳感器。其原理是采用慣性定律實現(xiàn)的，這些傳感器從超小型的的MEMS傳感器，到測量精度非常高的激光陀螺，無論尺寸只有幾個毫米的MEMS傳感器，到直徑幾近半米的光纖器件采用的都是這一原理。

?最基礎(chǔ)的慣性傳感器包括加速度計和角速度計（陀螺儀），他們是慣性系統(tǒng)的核心部件，是影響慣性系統(tǒng)性能的主要因素。尤其是陀螺儀其漂移對慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差增長的影響是時間的三次方函數(shù)。而高精度的陀螺儀制造困難，成本高昂。因此提高陀螺儀的精度、同時降低其成本也是當(dāng)前追求的目標(biāo)。

陀螺儀的發(fā)展趨勢：

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隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的慣性傳感器微機械陀螺儀和加速度計。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)/微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)傳感器也逐漸演變成為汽車傳感器的主要部件。本文這里重點介紹MEMS的六軸慣性傳感器。它主要由三個軸加速度傳感器及三個軸的陀螺儀組成。

二、MEMS慣性傳感器分級、組成及原理

1、MEMS慣性傳感器分級

?目前不管是傳統(tǒng)汽車還是自動駕駛汽車用的慣性傳感器通常是中低級的，其特點是更新頻率高（通常為：1kHz），可提供實時位置信息。但它有個致命的缺點——他的誤差會隨著時間的推進(jìn)而增加，所以只能在很短的時間內(nèi)依賴慣性傳感器進(jìn)行定位。通常在自動駕駛車輛中與GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）配合一起使用，稱為組合慣導(dǎo)。

2、MEMS慣性傳感器組成及原理

慣性傳感器是對物理運動做出反應(yīng)的器件，如線性位移或角度旋轉(zhuǎn)，并將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號，通過電子電路進(jìn)行放大和處理。加速度計和陀螺儀是最常見的兩大類MEMS慣性傳感器。加速度計是敏感軸向加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器；陀螺儀是能夠敏感運動體相對于慣性空間的運動角速度的傳感器。三個MEMS加速度計和三個MEMS陀螺儀組合形成可以敏感載體3個方向的線加速度和3個方向的加速度的微型慣性測量組合（Micro Inertial Messurement Unit，MIMU），慣性微系統(tǒng)利用三維異構(gòu)集成技術(shù)，將MEMS加速度計、陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器和信號處理電路等功能零件集成在硅芯片內(nèi)，并內(nèi)置算法，實現(xiàn)芯片級制導(dǎo)、導(dǎo)航、定位等功能。

（1）MEMS加速度計

MEMS加速度計是MEMS領(lǐng)域最早開始研究的傳感器之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，MEMS加速度計的設(shè)計和加工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。

?上圖為MEMS加速度計，它的工作原理就是靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板的質(zhì)量很大，而且它是一種懸臂構(gòu)造，當(dāng)速度變化或者加速度達(dá)到足夠大時，它所受到的慣性力超過固定或者支撐它的力，這時候它會移動，它跟上下電容板之間的距離就會變化，上下電容就會因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據(jù)不同測量范圍，中間電容板懸臂構(gòu)造的強度或者彈性系數(shù)可以設(shè)計得不同。還有如果要測量不同方向的加速度，這個MEMS的結(jié)構(gòu)會有很大的不同。電容的變化會被另外一塊專用芯片轉(zhuǎn)化成電壓信號，有時還會把這個電壓信號放大。電壓信號在數(shù)字化后經(jīng)過一個數(shù)字信號處理過程，在零點和靈敏度校正后輸出。

加速度計還有一個自測試功能。當(dāng)它剛通電時，邏輯控制會向自測試電路發(fā)出命令。自測試電路產(chǎn)生一個直流電壓加載到MEMS芯片的自測試電路板上，中間可活動電容板就會因靜電吸引而下移。接下來的處理過程跟測試真的加速度一樣。

目前，國外眾多研究機構(gòu)和慣性器件廠商都開展了MEMS加速度計技術(shù)研究，如美國的Draper實驗室、Michigan大學(xué)、加州大學(xué)Berkley分校、瑞士Neuchatel大學(xué)、美國Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco公司、瑞士的Colibrys公司、英國的BAE公司等。

其中，以Draper實驗室為代表的研究機構(gòu)和大學(xué)的主要工作在于提升MEMS加速度計的技術(shù)指標(biāo)。能夠提供實用化MEMS加速度計產(chǎn)品的主要廠家有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。

（2）MEMS陀螺儀角速度計

自20世紀(jì)80年代以來，對角速率敏感的MEMS陀螺儀角速度計受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)性能指標(biāo)，MEMS陀螺儀同樣可以分為三級：速率級、戰(zhàn)術(shù)級和慣性級。速率級陀螺儀可用于消費類電子產(chǎn)品、手機、數(shù)碼相機、游戲機和無線鼠標(biāo)；戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀適用于工業(yè)控制、智能汽車、火車、汽船等領(lǐng)域；慣性級陀螺儀可用于衛(wèi)星、航空航天的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制。

?上圖為MEMS陀螺儀角速度計（MEMS gyroscope），其工作原理是利用角動量守恒原理及科里奧效應(yīng)測量運動物體的角速率。它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。

與加速度計工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容。當(dāng)陀螺儀轉(zhuǎn)動時，他與下面電容板之間的距離機會發(fā)生變化，上下電容也就會因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測量當(dāng)前的角速度。

據(jù)不完全統(tǒng)計，研究MEMS陀螺儀的機構(gòu)如下：斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、歐文、洛杉磯、中東技術(shù)大學(xué)、弗萊堡大學(xué)、南安普敦大學(xué)、首爾國立大學(xué)、根特大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。

（3）慣性傳感器的誤差問題

由于制作工藝的原因，慣性傳感器測量的數(shù)據(jù)通常都會有一定誤差。第一種誤差是偏移誤差，也就是陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會有非零的數(shù)據(jù)輸出。要想得到位移數(shù)據(jù)，我們需要對加速度計的輸出進(jìn)行兩次積分。在兩次積分后，即使很小的偏移誤差會被放大，隨著時間推進(jìn)，位移誤差會不斷積累，最終導(dǎo)致我們沒法再跟蹤物體的位置。第二種誤差是比例誤差，所測量的輸出和被檢測輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似，在兩次積分后，隨著時間推進(jìn)，其造成的位移誤差也會不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會導(dǎo)致我們沒法再跟蹤物體的位置。

三、慣性傳感器應(yīng)用

慣性傳感器能夠為車輛中的所有控制單元提供車輛的即時運動狀態(tài)。路線偏移，縱向橫向的擺動角速度，以及縱向、橫向和垂直加速度等信號被準(zhǔn)確采集，并通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸至數(shù)據(jù)總線。所獲得的信號用于復(fù)雜的調(diào)節(jié)算法，以增強乘用車和商用車（例如，ESC/ESP、ADAS、AD）以及摩托車（優(yōu)化的曲線 ABS）、工業(yè)車輛和農(nóng)用車的舒適性與安全應(yīng)用，如下圖示。

?在無人車方面的應(yīng)用多與GPS或者GNSS組合使用，如下圖示：

?四、MEMS慣性傳感器的發(fā)展

未來MEMS慣性傳感器的發(fā)展主要有四個方向：

1、高精度

導(dǎo)航、自動駕駛和個人穿戴設(shè)備等對慣性傳感器的精度需求逐漸提高，精細(xì)化測量需求和智能化的發(fā)展也對傳感器的精度提出了越來越高的要求。

2、微型化

器件的微型化可以實現(xiàn)設(shè)備便攜性，滿足分布式應(yīng)用要求。微型化是未來智能傳感設(shè)備的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)。

3、高集成度

無論是慣性測量單元還是慣性微系統(tǒng)都是為了提高器件的集成度，進(jìn)而實現(xiàn)在更小的體積內(nèi)具備更多的測量功能，滿足裝備小體積、低功耗、多功能的需求。

4、適應(yīng)性強

隨著MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，工作環(huán)境也會越來越復(fù)雜，例如：高溫、高壓、大慣量和高沖擊等，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能夠進(jìn)一步拓寬MEMS慣性傳感器的應(yīng)用范圍。