IMU為嵌入式應(yīng)用提供更精細的定位分辨率

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS） 非常有用，能夠定位全球任意位置已正確啟用此功能的系統(tǒng)，但僅僅使用 GNSS 接收器進行定位也存在一些問題。使用慣性測量裝置 （IMU） 對 GNSS 進行補充，則可以克服這些問題。

IMU 采用陀螺儀、加速計和磁力儀，基于初始起點測量位置。本文將討論它的嵌入式應(yīng)用，然后再介紹一些適當?shù)慕鉀Q方案示例以及使用方法。

IMU 如何補充 GNSS

GNSS 存在四個問題。首先，GNSS 信號具有很強的指向性，因此會被建筑物遮擋。其次，接收器有幾十秒到一分鐘甚至更長時間的熱啟動和冷啟動時間。接收器需要利用啟動時間采集并鎖定定位所需的多個衛(wèi)星信號。

第三，GNSS 的位置更新率被限制為每秒一次。這對追蹤緩慢移動的大型物體而言沒有問題，但對許多嵌入式應(yīng)用而言，啟動時間太長而且更新率太慢。第四，GNSS 精確到米，對于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用而言不夠精確。這類應(yīng)用種類繁多，例如不涉及地面交通的機器人和虛擬現(xiàn)實等。

IMU 提供了許多嵌入式應(yīng)用所需的更精細的定位分辨率和更快的更新率。并且，和 GNSS 接收器提供絕對定位信息相反，IMU 提供距離已知起點的相對位置信息，因此這兩種位置傳感器可互為補充。

現(xiàn)代電子 IMU 以板安裝電子元件的方式提供，以微機電系統(tǒng) （MEMS） 技術(shù)為基礎(chǔ)，因此體積小、重量輕且相對堅固。它們具有可變的自由度 （DOF） 能力，而且與 GNSS 接收器不同，IMU 不依賴無線電信號。IMU 的耗電量極低，可通過各種供應(yīng)源獲取具有廣泛分辨率和精度的產(chǎn)品。

借助這些特性，IMU 可用于增強 GNSS 接收器的定位信息。（請參閱“使用 GNSS 模塊快速設(shè)計位置跟蹤系統(tǒng)”。）

IMU 剖析

運動傳感器對物理運動做出響應(yīng)并進行檢測，包括加速度、移動速率或距離等參數(shù)。慣性傳感器是一種特殊的運動傳感器。IMU 將各種運動傳感器集成到一個器件中，可提供高精度定位信息。它們對傳感器自身的運動做出響應(yīng)。

IMU 整合了以下一種或多種運動傳感器類型：

陀螺儀傳感器測量角度位置變化，通常以每秒度數(shù)表示。隨時間進行角速率積分可測得行程角度，用于追蹤方向變化。陀螺儀傳感器提供一個、兩個或三個軸，分別對應(yīng)俯仰角、翻滾角和偏航角。陀螺儀追蹤與重力無關(guān)的相對運動，因此傳感器偏置或積分誤差會造成稱為“漂移”的位置誤差。

加速計傳感器測量線性加速度，包括設(shè)備運動造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度以 G 為單位，是地球重力（1 G = 9.8 米/秒2）的倍數(shù)。加速計提供一個、兩個或三個軸，分別定義 X、Y、Z 坐標系。通過計算測得的器件角度并進行重力補償，可使用加速計數(shù)據(jù)來測量靜態(tài)設(shè)備方向。復(fù)雜運動周期會令方向計算變得復(fù)雜。

磁傳感器測量磁場強度，通常以微特斯拉 （μT） 或高斯（100 μT = 1 高斯）為單位。移動電子設(shè)備中最常用的磁傳感器是三軸霍爾效應(yīng)磁力儀。根據(jù)地理位置，地球磁場幅度介于 25 到 65 μT 之間，且傾斜角度各不同。就美國大陸而言，強度介于 45 到 55 μT 之間，角度為 50 - 80 度。通過計算檢測到的地球磁場角度，并將此測量的角度與加速計測量的重力進行比較，即可非常精確地測量出設(shè)備相對于地磁北極的航向。要獲得正北航向，還需要根據(jù)當前經(jīng)緯度進行調(diào)節(jié)。

壓力傳感器測量差壓或絕對壓力，單位通常為百帕 （hPa） 或毫巴 （mbar），二者等效。海平面標準氣壓定義為 1013.25 hPa。海拔高度變化會導(dǎo)致檢測到的環(huán)境氣壓發(fā)生相應(yīng)變化，可用于追蹤垂直運動。

使用 IMU 的運動追蹤采用傳感器融合，根據(jù)已知的起點和方向，推導(dǎo)單一、高精度的相對設(shè)備方向和位置估計值。傳感器融合涉及使用 IMU 制造商或應(yīng)用開發(fā)人員開發(fā)的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法來組合 IMU 的各種運動傳感器輸出。使用傳感器融合進行位置計算可得到以下測量結(jié)果：

重力 – 具體而言地球重力，且不含設(shè)備感應(yīng)到的由運動造成的加速度。當 IMU 靜止時，加速計測量重力矢量。當 IMU 運動時，重力測量需要融合加速計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，并減去運動造成的加速度。需要相對于地球來檢測方向的應(yīng)用可使用重力測量。

線性加速度 – 等于加速計測得的設(shè)備加速度，但要減去重力矢量。IMU 線性加速度可用于測量三維空間中的運動。該值的精度取決于重力矢量的追蹤精度。

方向（海拔高度）– 歐拉角集合，包括偏航角、俯仰角、翻滾角，測量單位為度。

旋轉(zhuǎn)矢量 – 由加速計、陀螺儀和磁力儀傳感器的數(shù)據(jù)組合得出。旋轉(zhuǎn)矢量表示圍繞特定軸的旋轉(zhuǎn)角度。

IMU 可用于各種應(yīng)用，包括消費品（手機）、醫(yī)學(xué)（成像）、工業(yè)（機器人）和軍工（航向跟蹤）。所需 IMU 精度取決于應(yīng)用要求。

六種自由度

自由度 （DOF） 指剛性物體在三維空間中的可能運動。3D 空間中只有六種 DOF：三個線性轉(zhuǎn)換 DOF（前/后、上/下、左/右）和三個旋轉(zhuǎn) DOF（偏航、仰俯和翻滾）。無論運動有多復(fù)雜，空間內(nèi)任何可能的剛性物體運動都能以六種基本 DOF 的組合來表示。

但在 IMU 領(lǐng)域內(nèi)，有很多 9 DOF 甚至 10 DOF 傳感器的叫法?？紤]到總共只有六種用于描述運動的 DOF，這種命名規(guī)則會造成相當?shù)睦_。9 DOF 這一數(shù)字命名源于累計 IMU 內(nèi)所含各種傳感器的 DOF。因此，如果 IMU 包含一個 3 DOF 加速計、一個 3 DOF 陀螺儀和一個 3 DOF 磁力儀，則稱之為 9 DOF IMU。再增加一個氣壓傳感器用于測量海拔高度，就會得到一個 10 DOF IMU。

市場上有各種價格和功能的 IMU。例如，DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 傳感器板是一種緊湊型 IMU 板，集成了一個 Analog Devices ADXL345 加速計、一個 Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力儀、一個 TDK Invensense 陀螺儀和一個 Bosch Sensortec 氣壓傳感器。

圖 1：DFRobot 的 SEN0140 10 DOF MEMS IMU 傳感器板集成了加速計、磁力儀、陀螺儀和氣壓傳感器。（圖片來源：DFRobot）

主流 SEN0140 傳感器的測量規(guī)格如下：

ADXL345 加速計：±16 g，13 位分辨率（在所有 g 量程內(nèi)保持 4 mg/LSB 的比例系數(shù)）

Honeywell Microelectronics & Precision Sensors 磁力儀：±8 高斯?jié)M量程磁場

TDK Invensense 陀螺儀：滿量程 ±2000°/秒

Bosch Sensortec 氣壓傳感器：4.35 PSI 至 15.95 PSI（30 kPa 至 110 kPa）

所有這四個傳感器都連接到板上的單一 SPI 串口，這意味著嵌入式處理器必須單獨對每個處理器進行尋址和查詢。DFRobot 的 SEN0140 還采用低噪聲 LDO，為傳感器提供 3 至 8 伏穩(wěn)壓電源。

使用現(xiàn)有 Arduino 庫，DFRobot 的 10 DOF IMU 能直接兼容 Arduino 開發(fā)板。該器件還可用于具有 SPI 端口的任何微處理器或微控制器系統(tǒng)。

以下是從 DFRobot 的 SEN0140 10 DOF 開發(fā)板提取傳感器數(shù)據(jù)的 Arduino 代碼示例（列表 1）：

復(fù)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：這是從 DFRobot 的 SEN0140 10DOF 開發(fā)板提取傳感器數(shù)據(jù)的 Arduino 代碼示例。（代碼來源：DFRobot）

此 Arduino 代碼可生成圖 2 所示輸出。

圖 2：上述 Arduino 代碼生成此輸出，顯示 SEN0140 傳感器的狀態(tài)。（圖片來源：DFRobot）

Digilent 的 410-326 9 軸 IMU/氣壓計基于 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，該 IMU 整合如下規(guī)格的 3D 加速計、3D 陀螺儀和 3D 磁力儀：

±2/±4/±8/±16 g 滿量程線性加速度（3D 加速計）

±245/±500/±2000°/秒滿量程角速率（3D 陀螺儀）

±4/±8/±12/±16 高斯?jié)M量程磁場（3D 磁力儀）

所有三種運動傳感器—加速計、陀螺儀和磁力儀—都集成到一個小型封裝中，并通過 LSM9DS1 的 I2C 接口進行連接。

圖 3：Digilent 的 410-326 9 軸 IMU/氣壓計使用 STMicroelectronics 的 LSM9DS1 iNEMU IMU，該 IMU 在一個封裝中整合了 3D 加速計、3D 陀螺儀和 3D 磁力儀。（圖片來源：Digilent）

Thales Visionix 的 NavChip 精密 6 軸 MEMS IMU 源自軍工技術(shù)，可以 1 kHz 的速率進行位置數(shù)據(jù)采集和處理。然后，以用戶可選擇的低至 200 Hz（或更低）的速率處理并集成數(shù)據(jù)。它還使用工廠校準和嵌入式溫度傳感器進行補償，以糾正其他傳感器的偏置、比例系數(shù)和錯位。其加速計和磁力儀的規(guī)格如下：

加速計：滿量程角速率 2000°/s

磁力儀：滿量程加速度 ±16g

NavChip 模塊帶有 TTL UART 和 SPI 端口，并具有 1 個脈沖/秒的輸入，用于同步 GPS 模塊。提供 V14447-03-02 RS-422 評估套件，讓原型設(shè)計更加輕松。模塊有內(nèi)置測試 （BIT） 模式，可按指令測試，并提供連續(xù)診斷監(jiān)測。該裝置已進行工廠校準，并在 -40°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內(nèi)提供溫度補償。

Thales 利用工廠校準和溫度補償，在 NavChip 模塊的規(guī)格書中增加了一系列穩(wěn)定性規(guī)格，這在其他大多數(shù)商用 IMU 規(guī)格書中是沒有的：

陀螺儀偏置運行穩(wěn)定性：5°/小時

角向隨機游走：0.18°/√小時

速度隨機游走：0.03 米/秒/√小時

軟件角度

有了本文所列的所有 IMU，編寫如以上 Arduino 代碼列表所示的提取原始傳感器數(shù)據(jù)的軟件并不困難。但是，將這些傳感器讀數(shù)集成為可用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)才是更復(fù)雜的任務(wù)。一些開源程序包專門設(shè)計為將 IMU 數(shù)據(jù)整合到應(yīng)用中。

ArduPilot Mega （APM） 便是這樣一款專為自主式無人機而開發(fā)的程序。它支持駕駛和無人駕駛（完全自主）飛行，包括數(shù)百個 GPS 航點、攝像機控制、自主起飛和著陸。由于是開源程序，IMU 代碼可開放檢查，并能改用于其他類型的應(yīng)用。

來自 Open Source Robotics Foundation 的機器人操作系統(tǒng) （ROS） 提供了編寫機器人軟件的靈活框架。它集合了眾多工具、庫和慣例，旨在簡化跨眾多機器人平臺創(chuàng)建復(fù)雜而強大的機器人行為的任務(wù)。ROS 包含多個 IMU 的接口代碼，以便為其導(dǎo)航模塊提供信息。

總結(jié)

許多嵌入式應(yīng)用需要能夠在全球任意位置實現(xiàn)系統(tǒng)定位。僅 GNSS 接收器是不夠的，但有了 IMU 的補充，則可實現(xiàn)更精準的定位和更快的更新率。