IMU 是慣性測量單元的縮寫。傳感器（包括陀螺儀和加速度計）可測量物體在三維空間中的角位置和位移。
INS 是慣性導航系統(tǒng)的縮寫。它包括 IMU 傳感器及其陀螺儀和加速度計，以及用于接收來自太空 GNSS 衛(wèi)星絕對位置數(shù)據(jù)的傳感器。它還可以配備用于測量三維空間中的磁場的磁力計。
INS 增加了高級數(shù)據(jù)處理，包括卡爾曼濾波和其他處理。參考已知的起始位置，它使用 IMU 的輸出來確定對象的實時位置和矢量。這個“物體”可以是汽車、潛艇、飛機或任何在三維空間中運行的機器。
如今，幾乎每輛汽車、飛機、輪船和智能手機都配備了某種導航系統(tǒng)。您的位置可以使用來自太空中 GPS/GNSS 衛(wèi)星的三邊測量位置數(shù)據(jù)顯示在地圖上，或者如果是您的智能手機，則可以使用位于已知固定位置的手機信號塔的三邊測量位置。
但如果我們無法使用衛(wèi)星或手機信號塔怎么辦？例如，潛艇如何導航？一旦潛艇潛入水中并遠離已知起點，它就無法訪問衛(wèi)星或任何其他外部位置數(shù)據(jù)源。
水下沒有“GPS”！那么潛艇艇員如何知道自己所在的位置呢？他們?nèi)绾螠蚀_地知道自己的移動速度以及在三維海底世界中的確切位置、方向、航向和方位？ INS 系統(tǒng)就是答案。
舉一個不太引人注目的例子，在隧道或 GPS/GNSS 衛(wèi)星系統(tǒng)或手機信號塔的其他障礙物中行駛的機動車輛怎么辦？他們?nèi)绾胃欁约旱奈恢煤褪噶浚?/p>
慣性導航系統(tǒng)
這就是 INS（慣性導航系統(tǒng)）發(fā)揮作用的地方。 INS 使用一系列極其精確的加速度計、陀螺儀和磁力計以及先進的處理技術來計算物體相對于已知起點、速度和方向的位置。一旦潛艇的慣性導航系統(tǒng)校準到已知的參考點，它就可以從該點開始非常準確地“航位推算”。
使用“航位推算”的系統(tǒng)使用已知的起始位置，然后將 IMU/INS 數(shù)據(jù)添加到該位置，以推斷出物體的當前位置和矢量。 INS 并不是完美的，因此系統(tǒng)航位推算的時間越長，誤差就會累積。
就潛艇而言，它們通常位于水下很深的位置，無法部署漂浮到水面并連接到太空中的 GPS 和其他 GNSS 系統(tǒng)的天線。因此，當他們無法連接到 GPS/GNSS 時，他們會使用 INS 系統(tǒng)來“航位推算”他們的位置?，F(xiàn)代軍用潛艇配備了極其精確、低漂移的 INS 模塊。
當衛(wèi)星和其他外部參考再次可用時，系統(tǒng)將重新校準，消除航位推算期間積累的任何錯誤。 INS 還被商用和軍用飛機、航天器、導彈、無人機和機器人使用，甚至集成到許多手機和視頻游戲控制器中。
慣性導航可用作“后備系統(tǒng)”，在 GPS/GNSS 導航不可用時進行航位推算。但就潛艇和航天器而言，它們是主要的導航方法。飛機和其他車輛通常將 INS 與 GPS/GNSS 和其他絕對位置參考緊密結合使用。
每個 INS 內(nèi)部都有最重要的 IMU。 IMU 是一個傳感器套件，包含至少三個正交陀螺儀和三個正交加速度計。它們有時還配備三個磁力計來測量磁偶極矩，又稱磁場。 IMU 用于測量物體：
? 角速率 - 物體繞其軸旋轉的速率
? 比力 ——絕對加速度與重力加速度之差
? 方向 - 物體在三維空間中的位置。
基本上，三個主軸（X、Y 和 Z - 也稱為橫滾軸、俯仰軸和偏航軸）中的每一個都至少配備一個加速計、一個陀螺儀和（通常）一個磁力計。
飛機的三個主軸
單個慣性傳感器只能沿單個軸進行測量。但我們在三維空間中移動，因此我們將三個慣性傳感器安裝在一個正交的集群中。
由三個加速度計和三個陀螺儀組成的慣性系統(tǒng)稱為六軸系統(tǒng)（沿三個軸進行兩次測量總共六次測量）。當我們想要感測磁場以用于導航時，我們沿每個軸添加一個磁力計，總共有九個傳感器。
典型的 IMU 測量與其連接的物體的原始角速度。它還測量比力/加速度和磁場。
當我們添加先進的信號處理和數(shù)據(jù)濾波（例如卡爾曼濾波）時，我們的 IMU 將成為稱為 INS 或慣性導航系統(tǒng)的更大系統(tǒng)的一部分。當用于導航時，我們也可以將 INS 稱為 AHRS，即姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)。
IMU（慣性測量單元）本質上是 INS（慣性導航系統(tǒng)）的傳感器子系統(tǒng)。 INS 獲取 IMU 的原始輸出，對其進行處理，并計算物體相對運動的變化。 INS 將這些變化參考已知的起點、速度和方向，提供實時位置和矢量輸出。
IMU 可以完全集成到 INS 中，也可以是連接到外部 INS 或類似系統(tǒng)的獨立硬件。
? 姿態(tài) - 以物體重心為中心的俯仰、滾動和偏航
? 三維空間中的位置、位置速度和方向
? 線速度 - 由大小和方向組成的矢量
? 角速率 - 物體繞其軸旋轉的速率
要連接到太空中的衛(wèi)星，需要傳感器。 “GPS”或 GNSS 傳感器通常是一個密封的圓頂狀結構，內(nèi)部有天線。它必須位于天空視線范圍內(nèi)，以便接收來自太空中各個 GNSS 星座的數(shù)據(jù)。
慣性傳感器的誕生早于半導體。經(jīng)典機械陀螺儀是由可自由呈現(xiàn)任何方向的旋轉轉子組成的機械結構。
由于角動量守恒，轉子的方向不受外框架或內(nèi)萬向架任何部分的傾斜或旋轉的影響。
經(jīng)典機械陀螺儀，在移動萬向節(jié)和外框架內(nèi)具有穩(wěn)定的轉子
如今，機械陀螺儀仍然大量用于需要最高精度和長期穩(wěn)定性的應用中。例如，它們?nèi)匀皇菨撏У氖走x傳感器。一艘大型潛艇有足夠的空間容納這種大型機械結構，而且它的重量也不用太擔心。 但從 20 世紀 60 年代開始，新技術的發(fā)展使得更小、更輕的固態(tài)設備能夠充當非常精確的陀螺儀。這些包括：
? RLG - 環(huán)形激光陀螺儀
? FOG - 光纖陀螺儀
? 石英/MEMS 陀螺儀
環(huán)形激光陀螺儀的工作原理是薩尼亞克效應。單個激光被分成兩束光束，這兩束光束在環(huán)中以相反的方向移動。傳感器測量結構沿單軸運動引起的干涉圖案。
RLG 通常充滿氦氖氣。電極激發(fā)沿相反方向傳播的光波。環(huán)形激光陀螺儀的發(fā)明被廣泛認為是 20 世紀 60 年代霍尼韋爾航空航天工程師的發(fā)明。
FOG 陀螺儀與 RLG 陀螺儀類似，利用薩尼亞克效應來檢測運動。激光束被注入單根光纖電纜中，但它們以相反的方向傳播。沿框架旋轉方向移動的光束比其他光束到達的速度要快一些。干涉測量法用于測量該相移并計算移動量。
MEMS 代表“微機電系統(tǒng)”。這些是小型傳感器和設備，可以使用許多與半導體制造相同的方法來制造。因此，可以制造一個足夠小且便宜的陀螺儀，以安裝在智能手機、視頻游戲控制器和數(shù)千臺機器中。
石英晶體對運動做出反應，充當科里奧利傳感器。石英傳感器與音叉諧振器相結合，產(chǎn)生可由板載微電子設備處理的輸出。盡管 MEMS 陀螺儀尺寸小且成本相對較低，但其精度足以滿足廣泛的應用。
根據(jù)精度和漂移性能，陀螺儀可大致分為四類：
? 消費者 - 智能手機、游戲機和其他消費產(chǎn)品；
? 工業(yè) ——UAV（無人駕駛飛行器），包括無人機；制造工藝和環(huán)境；
? 智能武器 -及相關軍事裝備；
? 導航 - 飛機、航天器、潛艇、汽車、農(nóng)用和建筑車輛、陸基軍用車輛。
以下概述了各種陀螺儀技術如何適應這些應用。 RLG、FOG 和石英/MEMS 陀螺儀的應用范圍非常廣泛。 RLG 和 FOG 在某些（但不是全部）應用中取代了機械陀螺儀。機械陀螺儀仍然提供最佳的長期穩(wěn)定性，因此是潛艇和某些飛機中關鍵航位推算應用的首選。
| / | 機械的 | FOG | RLG | 石英/MEMS |
| 應用領域 | 潛艇、宇宙飛船、飛機 | 智能武器、許多汽車和商業(yè)以及軍事航空航天和導航應用 | 智能武器、許多汽車和商業(yè)以及軍事航空航天和導航應用 | 消費級、工業(yè)級、戰(zhàn)術級市場 |
| 優(yōu)點 | 最佳的長期穩(wěn)定性 | 小型、固態(tài)、堅固且比機械陀螺儀便宜 | 小型、固態(tài)、堅固且比機械陀螺儀便宜 | 與 RLG 和 FOG 相同，但更小、更便宜 |
| 缺點 | 成本高，結構相對較大/較重 | 它們?nèi)狈C械陀螺儀的超長期穩(wěn)定性 | 它們?nèi)狈C械陀螺儀的超長期穩(wěn)定性 | 它們?nèi)狈C械陀螺儀的超長期穩(wěn)定性 |
加速度計是測量速度隨時間變化的傳感器。創(chuàng)建這些傳感器需要采用多種關鍵技術。它們本質上是由彈簧懸掛的“證明”質量。彈簧的縱向方向稱為“靈敏度軸”。
G-Link-200-8G 無線三軸加速度傳感器
當傳感器沿該軸受到速度變化時，檢測質量將移動，壓縮彈簧。這種壓縮量與加速度成正比，因此我們可以測量并輸出該值。加速度的單位是 g（又名“G 力”），也稱為米每平方秒。
每個人都知道老式指南針：磁化針可以自由指向位于北極附近的地球磁北。從最基本的意義上來說，指南針是一個磁力計。然而，對于我們的 IMU 和 INS 系統(tǒng)，我們需要更詳細地測量磁場。
經(jīng)典羅盤
磁力計可以基于多種技術，包括霍爾效應、磁二極管、洛倫茲力 MEMS、磁通門等等?；?MEMS 的磁力計傳感器如今特別受歡迎，因為它們可以制造得非常小、精確且便宜。在當今的許多 IMU、INS 和 AHRS 系統(tǒng)中，磁力計提供三維航向參考。
卡爾曼濾波是一種本質上將傳感器數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)融合的算法。這是一個兩階段實時線性二次方程，其中第一階段預測并加權各種輸入的準確性，第二階段對輸入應用加權平均值。這種遞歸過程提高了 GPS/GNSS 系統(tǒng)導航輸出的精度，并且是慣性導航精度不可或缺的一部分。
INS 系統(tǒng)廣泛用于各種應用。幾乎所有這些都以導航為中心，包括：
? 道路車輛導航 - 汽車、卡車、公共汽車、摩托車
? 空中導航 - 商用和軍用飛機
? 越野導航 -軍車、農(nóng)用車、拖拉機、農(nóng)用車等
? 太空導航 - 航天器和衛(wèi)星
? 水下和水面船舶導航 - 船只、船舶和潛艇
? 采礦和鉆探隧道 - 計算地下距離和方向
? 武器制導 ——導彈和其他制導彈藥
? 道路車輛測試 -自動駕駛車輛的ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）測試、測試跑道測試
希望本文能夠幫助您了解 IMU 和 INS 系統(tǒng)是什么以及它們?nèi)绾喂ぷ?。您已?jīng)看到它們對于廣泛的應用程序有多么重要。沒有它們，潛艇和航天器就無法航行，陸地車輛和飛機也將陷入困境。
使用 GPS/GNSS 和相關技術來測試當今汽車的高級駕駛輔助功能幾乎是不可能的。隨著機器、各種車輛、無人機和機器人越來越成為現(xiàn)代世界的一部分，對 GNSS 和導航系統(tǒng)的需求只會增加。
? 3DMCX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DMGX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DMCV7-INS 戰(zhàn)術級嵌入式慣性導航系統(tǒng)
? 3DMGV7-INS 戰(zhàn)術級加固慣性導航系統(tǒng)
? 3DMGX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導航傳感器
