IMU模块中6轴、9轴包含哪些模块？

经常接到朋友的提问：什么是陀螺仪、IMU和惯性导航模块呢？下面是我对这些概念的浅显解释：

提示：为了易于理解而不改变原本含义，以下是一些比较基础但并非正式的定义。

6轴、9轴、IMU、VRU和AHRS各代表什么？

首先，我们来解释6轴和9轴这两个术语：简而言之，它们指的是传感器的数量和类型。

• 6轴：包括三个方向（XYZ）的加速度计和三个方向（XYZ）的陀螺仪（又称角速度传感器）。
• 9轴：在6轴基础上额外增加了三个方向（XYZ）的磁力计。
• 利用6轴传感器可以组建VRU（垂直参考单元）和IMU（惯性测量单元），而有了9轴传感器，则可以搭建AHRS（航姿参考系统）。
• IMU（惯性测量单元）：它能提供加速度和角速度的数据，但它不提供姿态角等其他信息。
• VRU：在IMU的基础上，集成了姿态解算算法，能输出姿态信息。

在静止条件下，加速度计能检测到由重力产生的力矢量，并将其用作参照物。因此，在静止状态下，俯仰和横滚角不会出现漂移，且准确度相对较高。但由于航向角与重力矢量垂直，缺乏绝对参照，所以随着时间的推移，水平方向上的航向角误差会逐渐累积，准确度会不断降低。

当模块运动时，加速度计测量的不仅仅只有重力，还有其他运动加速度(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非常严重，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，没有考虑后面还有其他国家也做出来卫星定位系统，可以这样理解：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”
• GNSS/INS: 卫星/惯导组合导航系统

以下是正式定义：(不感兴趣可以不看了)

• 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)。随着模块工作时间增加，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。我们通常所说的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。

模块可以积分计算速度和位置么?

理论可以，实际不行(没有意义)。

如果没有其他方式纠正偏差(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。

模块会受电机等强磁干扰么?

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。

解释一下航向角飘移现象?

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。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，仪器设备旁的区域空间磁场畸变非常严重，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。

没有转台等专业设备，如何简单快速的定性评估动态精度?

(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)，运动一定时间(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，所以无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，随着时间流逝，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，所以又可以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。

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