ADAS-IMU惯性导航器件原理与搭配GPS导航应用

huangguang

“ IMU是指惯性测量单元（Inertial Measurement Unit），它是ADAS系统中的一个重要组成部分，用于测量车辆的加速度、角速度等信息。本文将介绍ADAS IMU应用和原理，包括其基本工作原理、应用场景、与GPS融合以及未来发展趋势等方面。”



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IMU基本原理

一般而言，IMU是由加速度计和陀螺仪组成的传感器模块，但随着MEMS传感器技术的发展，在更加复杂IMU还会集成磁力计等，其中各个传感器模块作用如下：

磁力计可以测量车辆在地球中磁场的强度以及方向；

加速度计可以测量车辆在x、y、z三个方向上的加速度；

陀螺仪则可以测量车辆绕x、y、z三个方向的角速度。

下面将分别介绍其原理。

1.1

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磁力计原理

磁力计的原理基于法拉第电磁感应定律和霍尔效应。高中物理我们学过法拉第电磁感应定律指出，当导体中有磁通量变化时，就会在导体中产生电动势，因此，磁力计利用这个原理来测量磁场的强度和方向。将磁力计工作原理简化如下图所示：


如上图，导体板两端接上电源，电子在其导体中的流动，将导体版放置在磁场中，导体板中的电子分布就会发生变化，最后两端输出的电压也会有对应的变化，可以通过ADC读出导体端两端电压，此电压与磁场强度成正比，由此便可以得到磁强的强度以及方向。1.2—加速度计原理
加速度传感器主要是测量物体的加速度，其原理是基于牛顿第二定律，即力等于质量乘以加速度。 F = m * a
加速度计中通常使用微机电系统结构制造一个微小的质量块，称为“可测质量块”。该可测质量块固定在一个微弹簧系统上，而微弹簧系统则固定在一个基座上。当受到加速度作用时，可测质量块和微弹簧系统一起运动，微弹簧则发生弯曲变形，弹簧的变形量与可测质量块所受的加速度成正比，通过测量弹簧所受的力便可以获取到物体的加速度。

为了测量在可测质量块和微弹簧之间的力，通常在弹簧放置电极或电容器，然后测量微弹簧变形引起的电容变化。根据变化的电容值，可以计算出加速度的大小，其结构可以简化如下所示：

正常情况下，质量块在中间位置，此时C1以及C2的电容板距离质量块电容板的距离一样，此时C1=C2。当物体移动时，质量块位置发生变化，导致C1以及C2顶板与质量块电容板的距离发生变化，间接导致C1、C2变化。通过测量C1以及C2的电容值，然后转换便可以得到加速度的数据。此外，由于可测质量块的运动通常是在微小范围内的，因此MEMS加速度计通常需要配合一个低通滤波器来消除高频噪声的影响，从而提高测量精度。1.3—陀螺仪测量原理
陀螺仪的工作原理基于科氏力的原理，当陀螺仪旋转时，由于科氏力的作用，陀螺仪的振动轴会发生偏转，这个偏转的角度与陀螺仪旋转的角速度成正比。目前主流的陀螺仪采用微机电系统技术，在芯片上制造一对微小的振动结构，称为振动陀螺仪。这两个振动陀螺仪在垂直于旋转轴的方向上振动，当陀螺仪旋转时，由于科氏力的作用，振动陀螺仪会受到一个垂直于振动方向的振动力，这个振动力的大小与陀螺仪旋转的角速度成正比。通过测量振动陀螺仪的振动位移，就可以确定陀螺仪旋转的角速度，其内部结构和加速度计类似，其简化框架如下所示：


当物体旋转时，质量体以及整个绿色框由于科氏力的作用都会进行移动，如下所示：

然后传感器通过测量电容的容值并进行转换便可以得到旋转的角速度。
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IMU&GPS导航应用
在上一篇文章：ADAS-GPS定位原理概述
JokerEye，公众号：ADAS之眼ADAS-GPS定位原理概述我们讲述了GPS定位的原理，虽然GPS可以提供高精确的位置信息，但由于建筑物、地形和大气干扰等，GPS接收器可能会出现位置漂移、无法接收以及精准定位等问题。典型GPS的无法解决的场景如：高架桥的准确定位、主辅路精准定位以及地下车库、隧道等无信号场景：



为了弥补GPS上述所述的不足，通常会将惯性测量单元（IMU）与GPS配对使用。IMU通过测量加速度计和陀螺仪等惯性测量器件的运动状态来确定位置和速度，其优点是可以提供实时的位置和速度信息，而且不会受到GPS信号干扰，但IMU测量会存在漂移误差，长时间使用会累积误差导致精度下降，故一般长时间使用又会使用GPS对IMU进行积分误差的矫正，这个我们后面单开一期使用扩展卡尔曼滤波对GPS以及IMU数据融合的讲解。一般而言，在GPS+IMU车载导航应用中，GPS接收机通过接收卫星发射的信号，计算出车辆的位置和速度，IMU通过对加速度以及角速度积分来推算出当前的位置以及姿态角度，即使在短暂丢失GPS的情况下也可以提供准确姿态和方向信息。因此，将GPS和IMU组合使用，可以充分利用它们的优点，弥补它们的缺点进而实现更加可靠和精确的导航和定位。

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结束语
IMU惯性测量单元技术已经成为现代车载应用中不可或缺的一部分。通过使用IMU，车辆可以获得精确的姿态、位置和运动信息，这对于许多车载应用非常重要，如自动驾驶、车辆导航、车辆稳定性控制和安全等方面。随着IMU技术的不断发展和进步，我们可以预见到在未来的汽车行业中，IMU技术将发挥越来越重要的作用。通过对IMU技术的深入研究和应用，我们将能够开发出更加智能化、高效、安全和可靠的车载系统，让我们的出行更加便捷、舒适和安全。