IMU - 核心组件工作原理和规格参数

作者：时间：2025-08-14 来源：硬十

加入技术交流群
- 扫码加入
  和技术大咖面对面交流
  海量资料库查询

IMU 主要由加速度计和陀螺仪组成，其工作原理基于牛顿力学和陀螺进动原理，IMU获取导数据后进行数据融合

（1）加速度计的工作原理：基于牛顿第二定律

加速度计通过测量物体在三个正交方向（通常称为 X、Y、Z 轴）上的加速度来感知物体的运动状态。它基于牛顿第二定律，即力等于质量乘以加速度（F = ma）。当物体在某个方向上有加速度时，加速度计内部的质量块会受到相应的惯性力，通过测量这个惯性力引起的位移或应变，计算出加速度的大小和方向。

（2）陀螺仪的工作原理：基于陀螺进动原理

陀螺仪绕其输入轴快速旋转时，会具有保持其旋转轴方向不变的特性。如果外部施加一个力矩试图改变其旋转轴的方向，陀螺仪会产生一个进动运动，进动的角速度与施加的力矩成正比。通过测量这个进动运动的角速度，就可以得到物体绕该轴的旋转角。

（3）数据融合

IMU的数据融合通常使用滤波算法，如卡尔曼滤波（Kalman Filter）或互补滤波（Complementary Filter），以提高姿态估计的准确性和稳定性，这些算法通过结合加速度计、陀螺仪和磁力计的数据，来消除各自的缺点，提供更精确的姿态信息。

总结，IMU 通过加速度计测量线性加速度，通过陀螺仪测量角速度，然后通过积分运算来推算物体的姿态（如俯仰角、滚转角、偏航角）和位置变化。由于积分运算会导致误差累积，所以 IMU 的测量结果在长时间内会存在漂移现象。为了提高测量的准确性和稳定性，通常会采用多种技术和算法进行校准、滤波和融合，例如与其他传感器（如 GPS、磁力计等）的数据进行融合，以补偿 IMU 的误差和漂移。

2、IMU的核心规格参数有哪些？

IMU的参数可以在芯片手册里获得，这里列举一些常用的参数，这些参数说明了IMU的性能范围，可以为选型提供参考。

量程（Full-scale range）：以加速度计为例，在工业机械振动监测中，可能需要测量高达 ±50g 甚至更高加速度的冲击，就必须选择量程匹配的IMU；而用于可穿戴设备监测人体日常活动时，±2g~±8g 的量程便足以满足需求。陀螺仪的量程同样重要，高速旋转机械的运动监测，需高量程陀螺仪（±3000°/s）；而 AR/VR 设备中，±1000°/s - ±2000°/s 的量程就能精准捕捉用户头部转动。
灵敏度（sensitivity）：代表最大角速度或加速度取样精度，加速度计-高精度场景（如测绘无人机）需达到μg级；消费级产品通常为mg ；陀螺仪 - 工业机器人在0.1°/s。
噪声系数（noise）：代表输出噪声与带宽的关系，直观地说就是影响对真实信号的辨识程度。加速度计的μg/√Hz与陀螺仪mdps/√Hz 的工程指标。
输出数据速率（ODR）：ODR指IMU每秒输出数据的次数，需匹配系统控制周期。在快速变化的运动场景中，高ODR 至关重要，过高的 ODR 会增加数据处理负担和功耗，需根据实际应用需求平衡选择，常见的 ODR 范围从几十Hz到数千Hz 不等，高速场景比如自动驾驶紧急避障（ODR≥1000 Hz）、竞技体育动作捕捉（ODR≥500 Hz）。
零偏(zero-rate offset/level)：IMU中尤其针对角速度计的一个重要参数，它代表了角速度计/加速计在静止时仍然输出的大小，是后续IMU校准中重点讨论的参数。我们希望它越小越好，以避免积分时带来的累计误差。通常目前IMU给出的典型值都是在1deg/s以上。
零偏不稳定性：主要针对角速度计的参数，代表零偏在较长时间下的随机游走。
温度漂移（zero-rate offset change over temperature）：零偏随温度改变的大小，同样是角速度计的重要参数，越小代表IMU的零偏随温度影响越小。
敏感度温漂（sensitivity change over temperature/sensitivity temperature drift）：敏感度随温度的改变，通常用百分比或者FS/K（满刻度每度）。