慣性測量單元（Inertialmeasurementunit，簡稱IMU）被定義為“無需外部參考的可測量三維線運動及角運動的裝置”，即測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。 

慣性測量單元

IMU的組成

IMU由三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀組成，加速度計用來檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀用來檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號、測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。因此IMU在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價值。

想象一個笛卡爾坐標(biāo)系，形如下圖所示，具有x軸、y軸和z軸，傳感器能夠測量各軸方向的線性運動，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運動。這就是所有IMU的根本出發(fā)點，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是據(jù)此而構(gòu)建。

加速度計

加速度計測量加速度，利用的原理是a=F/M，測量物體的“慣性力”。加速度計在慣性參照系中用于測量系統(tǒng)的線加速度，但只能測量相對于系統(tǒng)運動方向的加速度（由于加速度計與系統(tǒng)固定并隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，不知道自身的方向）。可以通過對加速度進(jìn)行解算，求得角速度，但由于精度不高，不具有很好的使用價值。但是加速度計可以輔助陀螺儀進(jìn)行角度解算。

陀螺儀

陀螺在慣性參照系中用于測量系統(tǒng)的角速率。通過以慣性參照系中系統(tǒng)初始方位作為初始條件，對角速率進(jìn)行積分，就可以時刻得到系統(tǒng)的當(dāng)前方向。我們現(xiàn)在智能手機(jī)上采用的陀螺儀是采用了MEMS微機(jī)電技術(shù)的MEMS陀螺儀，它需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化，特別是成本低，非常適合手機(jī)、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

地磁場傳感器

磁力計/地磁場傳感器，它有個通俗的名字：電子羅盤。當(dāng)加速度傳感器完全水平的時候，可以預(yù)料，重力傳感器無法分辨出在水平面旋轉(zhuǎn)的角度即繞Z軸的旋轉(zhuǎn)無法顯示出來，此時只有陀螺儀可以檢測。

陀螺儀雖然動態(tài)十分快速，但由于其工作原理是積分，所以在靜態(tài)會有累計誤差，表現(xiàn)為角度會一直增加或者一直減少。于是我們會需要一個在水平位置能確認(rèn)朝向的傳感器，這就是如今IMU必備的第三個傳感器，地磁場傳感器，通過這3個傳感器的相互校正，我們終于在大的理論上可以得到比較準(zhǔn)確的姿態(tài)參數(shù)了。

氣壓傳感器 

氣壓傳感器用于檢測大氣壓強的儀器,實際應(yīng)用當(dāng)中氣壓傳感器可作高度計。在慣導(dǎo)系統(tǒng)中有時通過增加氣壓計增強Z軸動態(tài)與精度。

IMU的工作原理

IMU的原理和黑暗中走小碎步很相似。在黑暗中，由于自己對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來越多時，自己估計的位置與實際的位置相差會越來越遠(yuǎn)。走第一步時，估計位置與實際位置還比較接近；但隨著步數(shù)增多，估計位置與實際位置的差別越來越大。根據(jù)此方法推廣到三維，就是慣性測量單元的原理。 

學(xué)術(shù)上的表述是：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

因此，通俗來講，慣性測量裝置IMU屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)，該系統(tǒng)有三個加速度傳感器與三個角速度傳感器（陀螺）組成，加速度計用來感受相對于地垂線的加速度分量，速度傳感器用來感受角度信息。

值得注意的是，IMU提供的是一個相對的定位信息，它的作用是測量相對于起點物體所運動的路線，所以它并不能提供你所在的具體位置的信息，因此，它常常和GPS一起使用，當(dāng)在某些GPS信號微弱的地方時，IMU就可以發(fā)揮它的作用，可以讓汽車?yán)^續(xù)獲得絕對位置的信息，不至于“迷路”。

IMU的分類

目前來說，市面上存在的IMU以6軸與9軸為主。6軸IMU包含一個三軸加速度傳感器，一個三軸陀螺儀；9軸IMU則多了一個三軸的磁力計。另外，對于采用MEMS技術(shù)的IMU，一般還內(nèi)置有溫度計進(jìn)行實時的溫度校準(zhǔn)。 

汽車中的IMU

IMU的應(yīng)用

IMU大多用在需要進(jìn)行運動控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上，也被用于需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。