原标题：在GPS不足以提供精准的位置数据时使用IMU

　　全球导航卫星系统 (GNSS) 非常有用，能够定位全球任意位置已正确启用此功能的系统，但仅仅使用 GNSS 接收器进行定位也存在一些问题。使用惯性测量装置 (IMU) 对 GNSS 进行补充，则可以克服这些问题。

　　IMU 采用陀螺仪、加速计和磁力仪，基于初始起点测量位置。本文将讨论它的嵌入式应用，然后再介绍一些适当的解决方案示例以及使用方法。

　　IMU 如何补充 GNSS

　　GNSS 存在四个问题。首先，GNSS 信号具有很强的指向性，因此会被建筑物遮挡。其次，接收器有几十秒到一分钟甚至更长时间的热启动和冷启动时间。接收器需要利用启动时间采集并锁定定位所需的多个卫星信号。

　　第三，GNSS 的位置更新率被限制为每秒一次。这对追踪缓慢移动的大型物体而言没有问题，但对许多嵌入式应用而言，启动时间太长而且更新率太慢。第四，GNSS 精确到米，对于大多数嵌入式应用而言不够精确。这类应用种类繁多，例如不涉及地面交通的机器人和虚拟现实等。

　　IMU 提供了许多嵌入式应用所需的更精细的定位分辨率和更快的更新率。并且，和 GNSS 接收器提供绝对定位信息相反，IMU 提供距离已知起点的相对位置信息，因此这两种位置传感器可互为补充。

　　现代电子 IMU 以板安装电子元件的方式提供，以微机电系统 (MEMS) 技术为基础，因此体积小、重量轻且相对坚固。它们具有可变的自由度 (DOF) 能力，而且与 GNSS 接收器不同，IMU 不依赖无线电信号。IMU 的耗电量极低，可通过各种供应源获取具有广泛分辨率和精度的产品。

　　借助这些特性，IMU 可用于增强 GNSS 接收器的定位信息。(请参阅“使用 GNSS 模块快速设计位置跟踪系统”。)

　　IMU 剖析

　　运动传感器对物理运动做出响应并进行检测，包括加速度、移动速率或距离等参数。惯性传感器是一种特殊的运动传感器。IMU 将各种运动传感器集成到一个器件中，可提供高精度定位信息。它们对传感器自身的运动做出响应。

　　IMU 整合了以下一种或多种运动传感器类型：

　　陀螺仪传感器测量角度位置变化，通常以每秒度数表示。随时间进行角速率积分可测得行程角度，用于追踪方向变化。陀螺仪传感器提供一个、两个或三个轴，分别对应俯仰角、翻滚角和偏航角。陀螺仪追踪与重力无关的相对运动，因此传感器偏置或积分误差会造成称为“漂移”的位置误差。

　　加速计传感器测量线性加速度，包括设备运动造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度以 G 为单位，是地球重力(1 G = 9.8 米/秒2)的倍数。加速计提供一个、两个或三个轴，分别定义 X、Y、Z 坐标系。通过计算测得的器件角度并进行重力补偿，可使用加速计数据来测量静态设备方向。复杂运动周期会令方向计算变得复杂。

　　磁传感器测量磁场强度，通常以微特斯拉 (µT) 或高斯(100 µT = 1 高斯)为单位。移动电子设备中最常用的磁传感器是三轴霍尔效应磁力仪。根据地理位置，地球磁场幅度介于 25 到 65 µT 之间，且倾斜角度各不同。就美国大陆而言，强度介于 45 到 55 µT 之间，角度为 50 - 80 度。通过计算检测到的地球磁场角度，并将此测量的角度与加速计测量的重力进行比较，即可非常精确地测量出设备相对于地磁北极的航向。要获得正北航向，还需要根据当前经纬度进行调节。

　　压力传感器测量差压或绝对压力，单位通常为百帕 (hPa) 或毫巴 (mbar)，二者等效。海平面标准气压定义为 1013.25 hPa。海拔高度变化会导致检测到的环境气压发生相应变化，可用于追踪垂直运动。

　　使用 IMU 的运动追踪采用传感器融合，根据已知的起点和方向，推导单一、高精度的相对设备方向和位置估计值。传感器融合涉及使用 IMU 制造商或应用开发人员开发的复杂数学算法来组合 IMU 的各种运动传感器输出。使用传感器融合进行位置计算可得到以下测量结果：

　　重力 – 具体而言地球重力，且不含设备感应到的由运动造成的加速度。当 IMU 静止时，加速计测量重力矢量。当 IMU 运动时，重力测量需要融合加速计和陀螺仪的数据，并减去运动造成的加速度。需要相对于地球来检测方向的应用可使用重力测量。

　　线性加速度 – 等于加速计测得的设备加速度，但要减去重力矢量。IMU 线性加速度可用于测量三维空间中的运动。该值的精度取决于重力矢量的追踪精度。

　　方向(海拔高度)– 欧拉角集合，包括偏航角、俯仰角、翻滚角，测量单位为度。

　　旋转矢量 – 由加速计、陀螺仪和磁力仪传感器的数据组合得出。旋转矢量表示围绕特定轴的旋转角度。

　　IMU 可用于各种应用，包括消费品(手机)、医学(成像)、工业(机器人)和军工(航向跟踪)。所需 IMU 精度取决于应用要求。

　　六种自由度

　　自由度 (DOF) 指刚性物体在三维空间中的可能运动。3D 空间中只有六种 DOF：三个线性转换 DOF(前/后、上/下、左/右)和三个旋转 DOF(偏航、仰俯和翻滚)。无论运动有多复杂，空间内任何可能的刚性物体运动都能以六种基本 DOF 的组合来表示。

　　但在 IMU 领域内，有很多 9 DOF 甚至 10 DOF 传感器的叫法。考虑到总共只有六种用于描述运动的 DOF，这种命名规则会造成相当的困扰。9 DOF 这一数字命名源于累计 IMU 内所含各种传感器的 DOF。因此，如果 IMU 包含一个 3 DOF 加速计、一个 3 DOF 陀螺仪和一个 3 DOF 磁力仪，则称之为 9 DOF IMU。再增加一个气压传感器用于测量海拔高度，就会得到一个 10 DOF IMU。

　　市场上有各种价格和功能的 IMU。例如，DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 传感器板是一种紧凑型 IMU 板，集成了一个 Analog Devices ADXL345 加速计、一个 Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力仪、一个 TDK Invensense 陀螺仪和一个 Bosch Sensortec 气压传感器。

　　图 1：DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 传感器板集成了加速计、磁力仪、陀螺仪和气压传感器。(图片来源：DFRobot)

　　主流 SEN0140 传感器的测量规格如下：

　　ADXL345 加速计：±16 g，13 位分辨率(在所有 g 量程内保持 4 mg/LSB 的比例系数)

　　Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力仪：±8 高斯满量程磁场

　　TDK Invensense 陀螺仪：满量程 ±2000°/秒

　　Bosch Sensortec 气压传感器：4.35 PSI 至 15.95 PSI(30 kPa 至 110 kPa)

　　所有这四个传感器都连接到板上的单一 SPI 串口，这意味着嵌入式处理器必须单独对每个处理器进行寻址和查询。DFRobot 的 SEN0140 还采用低噪声 LDO，为传感器提供 3 至 8 伏稳压电源。

　　使用现有 Arduino 库，DFRobot 的 10 DOF IMU 能直接兼容 Arduino 开发板。该器件还可用于具有 SPI 端口的任何微处理器或微控制器系统。

　　以下是从 DFRobot 的 SEN0140 10 DOF 开发板提取传感器数据的 Arduino 代码示例(列表 1)：

　　复制

　　#include #include #include #include #include float angles[3]; // yaw pitch roll float heading; short temperature; long pressure; // Set the FreeSixIMU object FreeSixIMU sixDOF = FreeSixIMU(); HMC5883L compass; // Record any errors that may occur in the compass.int error = 0; void setup(){ Serial.begin(9600); Wire.begin(); delay(5); sixDOF.init(); //init the Acc and Gyro delay(5); compass = HMC5883L(); // init HMC5883 error = compass.SetScale(1.3); // Set the scale of the compass.error = compass.SetMeasurementMode(Measurement_Continuous); // Set the measurement mode to Continuous if(error != 0) // If there is an error, print it out.Serial.println(compass.GetErrorText(error)); bmp085Calibration(); // init barometric pressure sensor } void loop(){ sixDOF.getEuler(angles); temperature = bmp085GetTemperature(bmp085ReadUT()); pressure = bmp085GetPressure(bmp085ReadUP()); getHeading(); PrintData(); delay(300); } void getHeading(){ // Retrive the raw values from the compass (not scaled).MagnetometerRaw raw = compass.ReadRawAxis(); // Retrived the scaled values from the compass (scaled to the configured scale).MagnetometerScaled scaled = compass.ReadScaledAxis(); // Values are accessed like so: int MilliGauss_OnThe_XAxis = scaled.XAxis;// (or YAxis, or ZAxis) // Calculate heading when the magnetometer is level, then correct for signs of axis.heading = atan2(scaled.YAxis, scaled.XAxis); float declinationAngle = 0.0457; heading += declinationAngle; // Correct for when signs are reversed.if(heading < 0) heading += 2*PI; // Check for wrap due to addition of declination.if(heading > 2*PI) heading -= 2*PI; // Convert radians to degrees for readability.heading = heading * 180/M_PI; } void PrintData(){ Serial.print("Eular Angle: "); Serial.print(angles[0]); Serial.print(" "); Serial.print(angles[1]); Serial.print(" "); Serial.print(angles[2]); Serial.print(" "); Serial.print("Heading: "); Serial.print(heading); Serial.print(" "); Serial.print("Pressure: "); Serial.print(pressure, DEC); Serial.println(" Pa"); }

　　列表 1：这是从 DFRobot 的 SEN0140 10DOF 开发板提取传感器数据的 Arduino 代码示例。(代码来源：DFRobot)

　　此 Arduino 代码可生成图 2 所示输出。

　　图 2：上述 Arduino 代码生成此输出，显示 SEN0140 传感器的状态。(图片来源：DFRobot)

　　Digilent 的 410-326 9 轴 IMU/气压计基于 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，该 IMU 整合如下规格的 3D 加速计、3D 陀螺仪和 3D 磁力仪：

　　±2/±4/±8/±16 g 满量程线性加速度(3D 加速计)

　　±245/±500/±2000°/秒满量程角速率(3D 陀螺仪)

　　±4/±8/±12/±16 高斯满量程磁场(3D 磁力仪)

　　所有三种运动传感器—加速计、陀螺仪和磁力仪—都集成到一个小型封装中，并通过 LSM9DS1 的 I2C 接口进行连接。

　　图 3：Digilent 的 410-326 9 轴 IMU/气压计使用 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，该 IMU 在一个封装中整合了 3D 加速计、3D 陀螺仪和 3D 磁力仪。(图片来源：Digilent)

　　Thales Visionix 的 NavChip 精密 6 轴 MEMS IMU 源自军工技术，可以 1 kHz 的速率进行位置数据采集和处理。然后，以用户可选择的低至 200 Hz(或更低)的速率处理并集成数据。它还使用工厂校准和嵌入式温度传感器进行补偿，以纠正其他传感器的偏置、比例系数和错位。其加速计和磁力仪的规格如下：

　　加速计：满量程角速率 2000°/s

　　磁力仪：满量程加速度 ±16g

　　NavChip 模块带有 TTL UART 和 SPI 端口，并具有 1 个脉冲/秒的输入，用于同步 GPS 模块。提供 V14447-03-02 RS-422 评估套件，让原型设计更加轻松。模块有内置测试 (BIT) 模式，可按指令测试，并提供连续诊断监测。该装置已进行工厂校准，并在 -40°C 至 +85°C 的工作温度范围内提供温度补偿。

　　Thales 利用工厂校准和温度补偿，在 NavChip 模块的规格书中增加了一系列稳定性规格，这在其他大多数商用 IMU 规格书中是没有的：

　　陀螺仪偏置运行稳定性：5°/小时

　　角向随机游走：0.18°/√小时

　　速度随机游走：0.03 米/秒/√小时

　　软件角度

　　有了本文所列的所有 IMU，编写如以上 Arduino 代码列表所示的提取原始传感器数据的软件并不困难。但是，将这些传感器读数集成为可用的导航数据才是更复杂的任务。一些开源程序包专门设计为将 IMU 数据整合到应用中。

　　ArduPilot Mega (APM) 便是这样一款专为自主式无人机而开发的程序。它支持驾驶和无人驾驶(完全自主)飞行，包括数百个 GPS 航点、摄像机控制、自主起飞和着陆。由于是开源程序，IMU 代码可开放检查，并能改用于其他类型的应用。

　　来自 Open Source Robotics Foundation 的机器人操作系统 (ROS) 提供了编写机器人软件的灵活框架。它集合了众多工具、库和惯例，旨在简化跨众多机器人平台创建复杂而强大的机器人行为的任务。ROS 包含多个 IMU 的接口代码，以便为其导航模块提供信息。

　　总结

　　许多嵌入式应用需要能够在全球任意位置实现系统定位。仅 GNSS 接收器是不够的，但有了 IMU 的补充，则可实现更精准的定位和更快的更新率。