IMU模块中的一些基本概念和常见问题

  常被朋友们问起 到底啥是陀螺仪模块，IMU模块，惯导模块。这里以我的理解给大家一个通俗的解释：

  6轴 : 三轴(XYZ)加速度计 + 三轴(XYZ)陀螺仪(也叫角速度传感器)，模块每次上电航向角就是0，没有绝对的参考(东西南北之分)。无法作为指南针使用

  9轴 : 6轴 + 三轴(XYZ)磁场传感器。 如果校准完成，那么航向角每次上电有一个绝对的值(有东西南北之分)，可当作指南针使用。但是9轴模式下需要校准且很容易收到磁干扰(室内基本用不了)。

  (垂直参考单元)和IMU(惯性测量单元)，9轴模块可以构成AHRS(航姿参考系统)

  静止状态下加速度计可以测得重力矢量并作为参考，所以静态下俯仰横滚角不会漂移而且精度比较高，然而由于航向角与重力垂直，没有绝对参考，水平方向上的航向角误差会跟着时间慢慢变大，变的越来越不准 。

  当模块运动时，加速度计测量的不仅仅只有重力，还有别的运动加速度(有害加速度)，所以模块运动中是不能用重力矢量作为参考修正俯仰横滚角的。一个简单的结论就是：如果模块长时间处于大机动状态，那么三个欧拉角误差都会随时间变大(越来越不准)，一旦静止，俯仰横滚角会被重新拉回到正确的位置，而航向角因为没有参考则不会得到校正。

  AHRS: VRU的基础上修改算法，可以解算被测物体的全姿态，包括绝对的航向角(与地磁北极的夹角)，因为要用到地磁传感器，所以必须是9轴模块。另外室内由于地磁场畸变很严重，AHRS 在室内也很难获得准确的绝对航向角。

  GPS：美国的全球卫星定位系统：Global Position System翻译过来就叫全球卫星定位系统。也是因为GPS是第一个出来的，老美命名的也比较骄傲，没考虑后面还有别的国家也做出来卫星定位系统，能这样理解： GPS是GPS牌GPS，后面还有中国的北斗牌GPS，毛子的格洛纳斯牌GPS等。

  GNSS: 全球卫星定位系统，GPS，北斗，格洛纳斯等系统的总称，每一个系统叫做一个星座

  IMU 惯性测量单元(Inertial Measurement Unit) 是测量物体三轴角速度和加速度的设备。一个IMU内可能会装有三轴陀螺仪和三轴加速度计，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度。严格意义上的IMU只为用户更好的提供三轴角速度以及三轴加速度数据。

  VRU 垂直参考单元(Vertical Reference Unit)是在IMU的基础上，以重力向量作为参考，用卡尔曼或者互补滤波等算法为用户更好的提供有重力向量参考的俯仰角、横滚角以及无参考标准的航向角。通常所说的6轴姿态模块就属于这类系统。航向角没有参考，不管模块朝向哪里，启动后航向角都为0°(或一个设定的常数)。随着模块上班时间增加，航向角会缓慢累计误差。俯仰角，横滚角由于有重力向量参考，低机动运动情况下，长时间不会有累积误差。

  AHRS 航姿参考系统(Attitude and Heading Reference System)AHRS系统是在VRU的基础上增加了磁力计或光流传感器，用卡尔曼或者互补滤波等算法为用户更好的提供拥有绝对参考的俯仰角、横滚角以及航向角的设备，这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。我们一般所说的9轴姿态传感器就属于这类系统，因为航向角有地磁场的参考，所以不会漂移。但地磁场很微弱，经常受到周围带磁物体的干扰，所以如何在高机动情况下抵抗各种磁干扰成为AHRS研究的热门。

  GNSS/INS 这是一种组合导航系统，顾名思义这种系统是利用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System 简称GNSS，它是GPS，北斗，GLONASS、GALILEO等系统的统称) 与惯性导航(Inertial Navigation System)各自的优势进行算法融合，为用户更好的提供更加精准的姿态及位置信息。

  下图是组合导航系统的一个基本的框图，它以加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、GNSS等作为基本输入，利用融合算法输出用户所需要的姿态信息、位置信息以及速度信息。

  首先检查是USB-TTL(3.3V)还是USB-232接口， 这两个电平不可以通用，比如CH110-232接口，输出电平是±12V的232电平，是不可以用USB-串口TTL小板去接的。另外注意波特率要对

  HI226/HI229默认不输出四元数数据，需要AT指令配置才能输出，详见手册

  本质上： IMU = 加速度计+角速度计(陀螺仪)，所以当然可以测量(输出)加速度和角速度(相当于模块上的传感器的直接输出)。 另外模块上的处理单元还可通过加速度和角速度 积分得到角度(欧拉角，或者叫姿态)和线速度，但是线速度一般不输出，因为加速度积分得到的线速度误差非常大而且随时间发散(一直运动的话，过个几分钟就会大到离谱，没有一点意义)。至于位移(速度接着来进行积分)的误差就会更夸张了(积分一次，误差累加一次)。具体可看-模块可以积分计算速度和位置么?另外，某些型号的模块还带有磁，气压等传感器，所以他们也可以输出这些传感器的测量值。

  陀螺仪在极短的时间内测量姿态是非常好的，方向是通过陀螺仪积分角速度计算出来的。如只用陀螺仪测量结果不完美，它包含了一定的误差，这个误差是由于陀螺仪输出不完美造成的，为了消除这个误差，我们从陀螺仪中增加加速计和磁力计传感器来稳定读数。

  模块水平静止放置时，加速度三轴输出为[0,0,1G](G=当地重力加速度)。角速度三轴输出为[0,0,0](不考虑地球自转影响)

  这个问题没法答。最主要的，和运动状态有关系，你静止不动，基本是二次发散的。如果你拿着IMU去蹦迪，那一分钟可能飘到美国，第二漂移误差和时间是二次曲线关系！

  如果无另外的方式纠正偏差(比如GPS)，那么位置会很快发散，比如HI226模块，加速度积分得速度，速度积分得位置。这样二次积分下来，就算是静止条件下，1min也会飘几十米。高速运动/机动飘出1KM也是有可能的。 真正纯惯导解算得到稳定的位姿应用的都是高端IMU(光纤，激光陀螺等)一般都价值不菲。而且，纯惯导位置是二次发散的，啥叫二次发散？ y=x^2都学过把， 第一秒误差1cm, 第二秒4cm, 第三秒9cm。。。第10s 100cm， 第100s， 100000cm， 只需要5分钟，误差就可以飘到月球。

  那种手持着IMU绕着房子转一圈，采集数据，然后想靠IMU纯积分还原轨迹的行为是痴心妄想，如果是IMU绑在足底，靠足部运动的规律性定时进行零速更新的室内纯IMU导航，倒还有一定研究价值，国内有几家公司在做，也给出了视频，demo。但是从来没见哪家真正量产商业化的，所以。。实际效果如何，你品，你细品。。

  你会看到网上很多IMU算短时轨迹的教程代码，视频。包括我自己也发过。请记住，这是算短时轨迹，也就大概几秒钟，假如没有其他约束(比如步行约束)或传感器辅助(GPS). 你让他给你发一个一分钟的，一直运动的轨迹你试试？

  6轴一点都不会，9轴肯定会，而且非常大。所以9轴模式一般不适用于机器人等周围有磁性物质的场合。

  6轴模块航向角飘移是必然的，只是程度的高低不同而已，器件决定性能，算法不是万能。由于航向角没有绝对的参考标准，只能靠陀螺角速度积分获得，积分必然带来积分误差，所以跟着时间的推移，必然会造成航向角越来越不准。

  需要注意的是所有姿态模块都需要上电静止1s左右以获得陀螺零偏，否则航向角飘移会更严重，详见产品手册描述。

  9轴模块需要配置为9轴模式，并且地磁经过校准，并且无地磁空间畸变干扰的环境下才能输出稳定无飘移的航向角，室内环境下：办公桌周围，厂房，实验室，仪器设施旁的区域空间磁场畸变很严重，9轴模式下航向角指北精度一般都比较差，初次使用可以到户外先测试模块性能，在拿回室内比较。

  (这里是定性分析，无法给出定量结果): 一个简单的定性分析方法：将模块水平放置，稳定后拿起模块进行随机机动运动(慢慢动，不要太剧烈，不要超出陀螺量程)，运动一段时间(2-5min)后回到水平位置，这时候会发现俯仰横滚角有一个回正过程。这是由于运动中加速度计测量的不再只有重力矢量，所以没办法提供俯仰横滚角的绝对参考，只能靠陀螺积分来递推姿态，跟着时间流逝，纯陀螺积分姿态必然会有误差。重新水平放置后，模块处于静止状态，加速度计测量的又只有重力矢量，所以又能够继续为俯仰横滚角提供绝对参考，所以才有回正过程。 所以，从回正的大小幅度(而不是快慢)上就可以简单定性的比较这块产品的陀螺性能。回正幅度越大说明陀螺在运动过程中累计的误差越大。

  另外，这个回正的过程如果只是通过看俯仰横滚数值是很难用肉眼看出来的，必须借助上位机使用曲线或者可视化仪表盘观察。

  欧拉角受所谓的万向节锁影响。万向节锁是在三维空间中失去一个自由度，它发生在两个坐标轴三个平衡环驱动到一个平行配置，“锁”系统旋转在一个退化的二维空间中，这样的一个问题在使用方向四元数时不可能会发生。因此我们推荐使用四元数在所有需要跟踪的复杂旋转任务中。在简单的倾斜角测量中欧拉角就足够了。

  非常敏感，理论上来讲陀螺对加速度应该是不敏感的(一个测量角速度，一个测量加速度)，但实际上MEMS器件并非如此(完美)。陀螺对加速度(振动)也是敏感的，并且叫做，重力敏感度或G敏感性。这些指标实际上比零偏稳定性还要重要的多，对于振动场合，低成本IMU的表现相较于光纤陀螺和高端MEMS要差的多(其他指标相同的情况下），实际上光纤陀螺因为测量原理不同，压根没这个振动敏感性指标)。下面这种IMU安装方法就是一种绝对错误的安装方法：IMU周围有振动源(风扇)，这会极大的影响IMU的输出数据的精度。

  其实在低速车惯导误差和可靠性是很差的(目前大部分惯导用于高速，高精度很贵用于武器，潜艇等)。且惯导有累计误差，轮子里程计也收到路面打滑或者颠簸影响。全场景全天候厘米定位不是个简单的事情，众多公司都在攻克难题，解决这一个问题毫不夸张的说不亚于无人驾驶。

  RTK在树荫下和高楼下信号遮挡或者多路径效应使定位偏移。所以大家才折腾搞摄像头或激光雷达建图或者用高精度地图。通过周围环境特性来匹配定位。如果全场景全天候定位问题解决，无人驾驶就可以变得像有轨电车安全可靠，也更加容易制定规则了。