智能车嵌入式系统设计学习内容（从小白到自动驾驶系统工程师11）

通过上一章GPS与DGPS的学习，我们知道了利用GPS、RTK技术，我们可以获得车辆厘米级的位姿信息，但是这种方法获得的定位频率只有1~5Hz，满足不了自动驾驶的使用，如何才能获得高频率、高精度的车辆位姿信息呢？这时候我们就要用到IMU了。

IMU（Inertial Measurement Unit），即惯性测量单元，用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的设备。

IMU组成：一般情况，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测车辆在车辆坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测车辆相对于导航坐标系的角速度信号，通过测量车辆在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出车辆的姿态。IMU的数据输出频率很高，可以达到100Hz以上，将IMU数据解算出的车辆位姿信息填充到RTK得到的高精度位姿信息中，就可以得到车辆高频率、高精度的位姿信息了。

加速度计的分类：

按检测的位移方式分类有线性加速度计和摆式加速度计；

按支承方式分类有宝石支承、挠性支承、气浮、液浮、磁悬浮和静电悬浮等；

按测量系统的组成形式分类有开环式和闭环式；

按工作原理分类有振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等；

按输入轴数目分类，有单轴、双轴和三轴加速度计；

按传感元件分类有压电式、压阻式和电位器式等。

技术成熟的MEMS加速度计分为三种：压电式、容感式、热感式。

压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。具有尺寸小，灵敏度高（压阻应变计的灵敏系数是金属应变计的25～50倍），信噪比大，线性和稳定性好的特点。如果进行适当的温度补偿，工作温度为-20～120℃。

由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。

容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。

电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成，与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。当质量块受到加速度激励上下运动时，电容极板间距随之变化，差动电容大小发生改变，理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。

热感式MEMS加速度计内部没有质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，在密闭的气腔里，加速度计工作时，在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团。热气团的比重和周围的冷气有差异，温度传感器通过感应热气团移动形成的热场变化而得到加速度值。

伺服式加速度传感器：加速度引起摆动质量的轻微移动。该移动被位置敏感元件测量，并且通过反馈网络产生驱动扭矩马达的电压，使得摆块向回移动，接近它的初始位置。所需的扭矩与加速度成正比，所以用于驱动扭矩马达的电压就是加速度的度量。

伺服加速度计非常精确，大量地应用于飞机导航系统和卫星控制系统。它的线加速度测量范围可达到50g，并且还可以测量角加速度。由于其固有频率低，通常低于200Hz，所以主要用于静态和低频的测量。

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

陀螺仪分类：陀螺仪可分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪。

陀螺仪的原理：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

陀螺仪的回转效应(gyroscopic effect)：在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。

陀螺仪的定轴性：当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

陀螺仪的进动性：当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。

由于制作工艺和工作原理的原因，惯性传感器测量的数据会有一定的误差，误差主要有以下三种：

第一种误差是偏移误差（零偏误差）。在陀螺静止时，陀螺仪仍会以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示，单位为°/h，°/s。理想状态下该数值应为地球自转角速度的分量。在角速度输入为零时，陀螺仪的输出是一条复合白噪声信号缓慢变化的曲线，曲线的平均值就是零偏值。

第二种误差是比例误差，所测量的输出和被检测输入的变化之间的比率。与偏移误差相似，在两次积分后，随着时间推进，其造成的位移误差也会不断积累。

第三种误差是背景白噪声，如果不给予纠正，也会导致我们没法再跟踪物体的位置。

在实际应用中，要想获得车辆的位移数据，我们需要对加速度计的输出值进行两次积分。第一次积分求出速度，第二次积分求出位移。积分会导致偏移误差呈指数放大，随着时间推进，位移误差也会不断积累，最终导致我们没法再跟踪车辆的位置。因此在实际使用中，我们需要不断用轮速计、RTK等数据取修正IMU的数据。这也是在GPS丢失后，车辆只能保持很短的时间的高精定位的原因。

1、更高的精度

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的便携性，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。