IMU与惯导定位

在自动驾驶系统里面，IMU是一个举足轻重的关键零件，而偏偏在对外宣传上存在感不高，原因之一是性能指标到自动驾驶表现链路太长，而且零件的价格/性能是指数增长的，目前供应链上IMU产品还是太贵了。这篇我就和大家聊聊IMU以及它的主要应用——惯导定位。还是会拆成几篇来写，目录预告如下：

IMU是怎么测量运动的

教你看懂IMU的指标

IMU在自动驾驶上有什么用

车辆惯性导航定位

1. IMU是怎么测量运动的？

IMU全称Inertial Measurement Unit，即惯性测量单元，主要用来测量物体运动的传感器。物体的空间运动有6个自由度，沿着三轴的平动和绕着三轴的转动。既然叫做惯性测量单元，那么就是靠惯性定律来进行测量。对于平动的测量通常采用加速度计的方式，而转动的测量是通过陀螺仪来实现。

机械陀螺大家小时候都玩过，高速旋转的陀螺可以保持原有的运动轴线，通过测量陀螺轴线和载体支架之间的角度变化，就可以得到运动的角度了，当然也可以得到角速度。看看下面的视频：

机械式陀螺仪

机械陀螺仪

当然车上是不可能用到这种复杂而古老的机械陀螺了。精度更高的是激光陀螺和光纤陀螺。激光陀螺（RLG）是一种以萨格奈克（Sagnac）效应为基础的光学陀螺，通过测量闭合光路中由于外界转动引起干涉条纹变化而获得转动的角速度。

激光陀螺仪

不过激光陀螺和光纤陀螺还是太昂贵了，都是在航空航天和导弹中才用得起，车上可以使用的还是小巧的MEMS IMU。

MEMS 加速度计的原理非常好理解，对于一个弹簧振子系统，由于平动运动所产生的惯性力作用在振子上会产生位移，如果将这个振子连上梳齿电容，则振子的位移会让梳齿电容间距发生变化，从而影响电容值的变化，通过电容测量电路就可以将加速度这个物理量通过电信号的方式反馈出来，我们也就得到了加速度值。下图为iPhone4里面的结构。

MEMS Journal -- The Largest MEMS Publication in the World: Motion sensing in the iPhone 4: MEMS accelerometer

而转动的测量则要复杂一些，这涉及到高中物理中好多人搞不懂的一个知识点：科里奥利力与科里奥利加速度。

科里奥利力的定义稍微有点复杂，简单来说就是以旋转体系为参考系观察，延径向直线运动的物体会由于转动的线速度不同而有偏离原有方向的倾向，这个倾向可以归结为一个外加力的作用，这个描述有点抽象，用下面这张图来说明。

在这样一个顺时针旋转的圆盘上，当小人从圆心处走向边缘处，假定这个过程中小人的切向线速度不变，而走到的脚下的圆盘因为半径的增大而线速度增大，所以小人相对圆盘就有相对向左的运动趋势。站在圆盘上看，就好像收到了一个向左的力一样。

而如果把小人换成一个弹簧振子，当振子往上（边缘）运动的时候，收到向左的一个力；当振子往下（圆心）运动的时候，则会受到向右的一个力。

如果把这个弹簧振子连接上垂直于振动方向的梳齿电容和弹簧，就可以把科里奥利力的作用转化为电容值的变化，通过电信号获得。而科里奥利力的大小，又与载体旋转的角速度和垂向运动速度（振动频率）相关，通过精密控制和测量，就可以得到载体运动的角速度了。下图为iPhone 4里面陀螺仪结构

MEMS Journal -- The Largest MEMS Publication in the World: Motion sensing in the iPhone 4: MEMS gyroscope