對于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)來說，輕微的航向誤差就意味著偏離目標(biāo)數(shù)英里。或者想象一下，一支特種部隊所依賴的定位技術(shù)在沒有 GPS 的環(huán)境中會失敗。慣性測量單元 (IMU) 可滿足這些任務(wù)所需的精度。在導(dǎo)航系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實等各種應(yīng)用中準(zhǔn)確跟蹤方向是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。慣性測量單元 (IMU) 已成為精確運動跟蹤的一種有前景的解決方案。在本文中，我們深入研究了 IMU 慣性傳感器的世界，并探索它們?nèi)绾卧诖嬖诖女惓５那闆r下提供準(zhǔn)確的運動跟蹤。
慣性測量單元由加速度計、磁力計和陀螺儀組合而成。通過利用這些傳感器，IMU 分別測量線性加速度、磁場方向和旋轉(zhuǎn)信息。使用傳感器融合算法融合這些傳感器輸出，以確定 IMU 模塊的方向。
加速度計對運動過于敏感，會拾取振動和抖動。使用加速度計準(zhǔn)確確定地球重力需要系統(tǒng)保持靜止。
陀螺儀測量繞軸旋轉(zhuǎn)的角速率。 MEMS（微機電系統(tǒng)）陀螺儀是業(yè)界最流行的，它測量相對旋轉(zhuǎn)，但不測量絕對參考。與加速度計結(jié)合使用，即使在動態(tài)運動期間也可以獲得準(zhǔn)確的俯仰和滾動讀數(shù)。與磁力計結(jié)合使用，磁北可用于提供初始絕對參考。陀螺儀的偏置或零偏移會隨著時間的推移而漂移，如果不加以校正，即使具有良好的初始參考，這也可能成為系統(tǒng)誤差的主要來源。
磁力計測量周圍的磁場，三軸磁力計將提供所測量磁場的大小和方向。為了使用磁力計進行導(dǎo)航和定向，需要從總磁場測量中提取地球磁場。如果 IMU 主機系統(tǒng)具有固定的磁特征，則可以執(zhí)行硬鐵和軟鐵校準(zhǔn)以隔離地球磁場。改變局部磁場（例如附近的手機、計算機和建筑物中的鋼筋等）可能會暫時扭曲磁航向信息，但當(dāng)陀螺儀和加速度計與磁力計結(jié)合使用時也可以得到補償。
正如《EDN 運動傳感器揭秘》中的一篇文章所述，每個傳感器本身都有其缺點， 但當(dāng)將各個傳感器與卡爾曼濾波器等自適應(yīng)濾波算法組合在一起時，可以通過小型、低成本傳感器。
為了解決磁異常帶來的挑戰(zhàn)，融合算法可以發(fā)揮作用。Sentral? 包含被認(rèn)為是同類最佳的最先進的融合算法：
? 它可以抑制磁干擾，使其在現(xiàn)實世界條件下能夠長期保持準(zhǔn)確度
? 它采用恒定校準(zhǔn)技術(shù)，幾乎消除了陀螺儀漂移誤差以及令人困惑的重復(fù)用戶校準(zhǔn)的需要
? 絕對運動跟蹤，幾乎沒有延遲
? 僅使用 200μAmps 的功率，不到執(zhí)行傳感器融合任務(wù)的微控制器和/或標(biāo)準(zhǔn) CPU 所用功率的 10%。
下面的 Sentral 算法框圖中介紹了算法操作的概念概述。
主要定向算法在傳播和合并模塊中執(zhí)行 - 定向在短時間尺度上遵循陀螺儀傳播，并較慢地合并到磁力計 (mag) 和加速度計 (accel) 框架。該核心塊還更新陀螺儀偏差值。在此核心操作之外，自動校準(zhǔn)、磁瞬態(tài)檢查和靜止檢測模塊執(zhí)行修改四元數(shù)更新的計算。
Autocal 在后臺持續(xù)運行磁力校準(zhǔn)，并檢查磁力系數(shù)是否需要更新。該塊啟用后臺自動校準(zhǔn)。 Mag Transient Check監(jiān)控磁梯度和畸變水平，然后決定是否關(guān)閉磁合并或調(diào)整磁合并速率。該塊負(fù)責(zé)拒絕磁異常。
精確的運動跟蹤可以擴展到使用 IMU 的精確位置跟蹤。影響使用 IMU 進行慣性位置跟蹤精度的主要挑戰(zhàn)是：準(zhǔn)確的方向估計以及由于陀螺儀和加速度偏差漂移以及陀螺儀刻度誤差而導(dǎo)致的就位誤差的增長。
距離加速度計的雙重積分會快速累積位置誤差。使用步數(shù)和方向也會由于步長縮放誤差以及行進方向與設(shè)備方向之間的未對準(zhǔn)而導(dǎo)致位置誤差。
事實證明，將機器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于人體動力學(xué)可以為徒步士兵提供準(zhǔn)確的行進方向和位置，僅使用 IMU 而無需 GPS 的情況下，F(xiàn)ORT 每行駛 1 公里可提供 10m 的精度。未來的博客將深入研究 FORT 及其連續(xù)自適應(yīng)導(dǎo)航 (CAN) 算法的詳細(xì)信息。
慣性測量單元為精確運動跟蹤提供了有效的解決方案。通過融合來自加速度計、磁力計和陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，IMU 可以估計模塊的方向并提供可靠的運動跟蹤。精確方向估計和磁異常等挑戰(zhàn)正在通過復(fù)雜的融合算法得到解決。
? 3DM-GX5-IMU 高性能慣性測量單元
? 3DM-CX5-IMU 高性能工業(yè)級慣性測量單元
? 3DM-CV5-IMU 嵌入式慣性測量單元
? Advanced Navigation Orientus MEMS AHRS 傳感器
