什么是IMU（惯性传感器）

近两年来，汽车互联网、自动驾驶、无人驾驶、智能汽车、互联网已成为汽车行业的热门话题。在未来，汽车必须朝着安全、可靠和舒适的方向发展。所有这些背后的发展都与传感器的作用密不可分。今天，让我们来谈谈惯性传感器的广泛使用——IMU。

一、惯性传感器（IMU）简介

IMU全称Inertial Measurement Unit，惯性测量单元主要用于检测和测量加速度和旋转运动的传感器。这些传感器的原理是通过惯性定律实现的MEMS从传感器到测量精度很高的激光陀螺，无论尺寸只有几毫米MEMS这一原理适用于直径近半米的光纤器件。

最基本的惯性传感器包括加速度计和角速度计（陀螺仪），它们是惯性系统的核心部件，也是影响惯性系统性能的主要因素。特别是陀螺仪漂移对惯性导体系位置误差增长的影响是时间的三个方函数。高精度陀螺仪制造困难，成本高。因此，提高陀螺仪的精度和降低成本也是目前的目标。

陀螺仪的发展趋势：

新型惯性传感器微机械陀螺仪和加速度计随着微电子技术的发展而出现。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，技术传感器也逐渐演变成汽车传感器的主要部件。这里重点介绍本文MEMS六轴惯性传感器。它主要由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成。

二、MEMS惯性传感器的分级、组成和原理

1、MEMS惯性传感器分级

目前，传统汽车和自动驾驶汽车的惯性传感器通常是中低级的，其特点是更新频率高（通常为：1kHz），可提供实时位置信息。但它有一个致命的缺点——随着时间的推移，他的误差会增加，所以他只能在很短的时间内依靠惯性传感器进行定位。通常在自动驾驶车辆中GNSS(全球导航卫星系统)一起使用，称为组合惯导。

2、MEMS惯性传感器的组成及原理

惯性传感器是一种反应物理运动的装置，如线性位移或角度旋转，并通过电子电路将该反应转换为电信号进行放大和处理。加速度计和陀螺仪是最常见的两类MEMS惯性传感器。加速度计是一种传感器，具有敏感的轴向加速度，并将其转换为可用的输出信号；陀螺仪是一种传感器，可以使敏感运动体相对于惯性空间的运动角速度。三个MEMS加速度计和三个MEMS陀螺仪组合形成微惯性测量组合，可以在敏感载体的三个方向形成线加速度和三个方向加速度（Micro Inertial Messurement Unit，MIMU），惯性微系统采用三维异构集成技术，将MEMS硅芯片集成了加速度计、陀螺仪、压力传感器、磁传感器、信号处理电路等功能部件，实现了芯片级制导、导航、定位等功能。

（1）MEMS加速度计

MEMS加速度计是MEMS该领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，MEMS加速度计的设计和加工技术越来越成熟。

上图为MEMS其工作原理是加速度计MEMS可移动部分的惯性。由于中间电容板质量大，是悬臂结构，当速度变化或加速度足够大时，惯性力超过固定或支撑力，然后移动，与上下电容板的距离变化，上下电容变化。电容器的变化与加速度成正比。中间电容板悬臂结构的强度或弹性系数可根据不同的测量范围进行设计。还有如果要测量不同方向的加速度，这个MEMS结构会大不相同。另一个特殊芯片将电容的变化转化为电压信号，有时会放大电压信号。数字化后，电压信号经过数字信号处理，在零点和灵敏度校正后输出。

加速度计还具有自测功能。当它刚通电时，逻辑控制将命令自测电路。自测电路产生直流电压并加载到MEMS在芯片的自测电路板上，由于静电的吸引，中间可移动的电容板会向下移动。下一个处理过程与测试的加速度相同。

目前，许多国外研究机构和惯性设备制造商都在进行MEMS加速度计技术研究，如美国的Draper实验室、Michigan大学，加州大学Berkley分校、瑞士Neuchatel大学、美国Northrop Grumman Litton公司、Honeywell公司、ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco瑞士公司Colibrys公司，英国BAE公司等。

其中，以Draper以实验室为代表的研究机构和大学的主要工作是改进MEMS加速度计的技术指标。可提供实用性MEMS加速度计产品的主要制造商有ADI、Silicon Designs、Silicon Sensing、Endevco和瑞士的Colibrys公司。

（2）MEMS陀螺仪角速度计

自20世纪80年代以来，对角速率一直很敏感MEMS陀螺仪角速度计越来越受到重视。根据性能指标，MEMS陀螺仪也可分为三级：速率级、战术级和惯性级。速率陀螺仪可用于消费电子产品、手机、数码相机、游戏机和无线鼠标；战术陀螺仪适用于工业控制、智能汽车、火车、船舶等领域；惯性陀螺仪可用于导航、导航和控制卫星和航空航天。

上图为MEMS陀螺仪角速度计（MEMS gyroscope），其工作原理是利用角动量守恒原理和科里奥效应来测量运动物体的角速率。它主要是一个不断旋转的物体，其转轴的方向不会随着支架的旋转而改变。

类似于加速度计的工作原理，陀螺仪的上活动金属与下金属形成电容。当陀螺仪旋转时，它与下电容板之间的距离会发生变化，上下电容也会发生变化。电容的变化与角速成正比，因此我们可以测量当前的角速。

据不完全统计，研究MEMS陀螺仪机构如下：斯坦福大学、密歇根大学、伯克利分校、欧文、洛杉矶、中东技术大学、弗莱堡大学、南安普敦大学、首尔国立大学、根特大学、清华大学、北京大学、东南大学、上海交通大学、浙江大学、博世、ST、InvenSense、NXP、ADI、TI等。

(3)惯性传感器的误差

惯性传感器测量的数据通常会因生产过程而出现误差。第一个误差是偏移误差，即陀螺仪和加速度计即使不旋转或加速也会有非零数据输出。要想得到位移数据，我们需要对加速度计的输出进行两次积分。两分后，即使放大了小的偏移误差，位移误差也会随着时间的推移而积累，最终导致我们无法跟踪物体的位置。第二个误差是比例误差，测量的输出与被测输入的变化之间的比率。类似于偏移误差，两分后，随着时间的推移，位移误差会不断积累。第三个误差是背景白噪音，如果不纠正，我们将无法跟踪物体的位置。

三、惯性传感器的应用

惯性传感器能够为车辆中的所有控制单元提供车辆的即时运动状态。准确收集路线偏移、纵向和横向摆动角速度、纵向、横向和垂直加速度等信号，并通过标准接口传输到数据总线。为了增强乘用车和商用车(例如，ESC/ESP、ADAS、AD）以及摩托车(优化曲线) ABS）、工业车辆和农用车的舒适性和安全应用如下图所示。

 在无人车方面的应用多与GPS或者GNSS组合使用，如下图示：

四、MEMS惯性传感器的发展

未来MEMS惯性传感器的发展主要有四个方向：

1、高精度

导航、自动驾驶和个人穿戴设备等对惯性传感器的精度需求逐渐提高，精细化测量需求和智能化的发展也对传感器的精度提出了越来越高的要求。

2、微型化

器件的微型化可以实现设备便携性，满足分布式应用要求。微型化是未来智能传感设备的发展趋势，是实现万物互联的基础。

3、高集成度

无论是惯性测量单元还是惯性微系统都是为了提高器件的集成度，进而实现在更小的体积内具备更多的测量功能，满足装备小体积、低功耗、多功能的需求。

4、适应性强

随着MEMS惯性传感器的应用范围越来越广泛，工作环境也会越来越复杂，例如：高温、高压、大惯量和高冲击等，适应复杂环境能够进一步拓宽MEMS惯性传感器的应用范围。

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