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IMU、 AHRS、INS三者之間的區(qū)別及應用

文章出處：新聞動態(tài) 責任編輯：百世精工科技發(fā)表時間：2023-07-18 08:55:35

整個行業(yè)中最常見的問題之一是我在尋找什么類型的慣性傳感器以及這些傳感器之間有什么區(qū)別。在本文中將向您介紹IMU、AHRS、卡爾曼濾波器及INS等每個單獨的模塊以及它們之間的差異以及它們包含的一些功能。我們要開始的第一個是 IMU，因為它是最基本的。

什么是 IMU？

我們要討論的第一個慣性傳感器是 IMU，即慣性測量單元。這是三者中最基本的，關于 IMU 最重要的是，每個模塊內(nèi)部都包含 IMU。

Advanced Navigation MOTUS MEMS IMU超高精度傳感器

IMU 是一個傳感器，內(nèi)部有多種不同類型的傳感器。它有加速度計、陀螺儀、磁力計和氣壓計。當您購買 IMU 時，您獲得的是來自校準傳感器的原始數(shù)據(jù)。因此，當您將 IMU 插入慣性感測固件時，固件會告訴您加速計正在做什么以及它看到的數(shù)據(jù)。它將告訴您陀螺儀正在做什么以及陀螺儀記錄的數(shù)據(jù)。它將對磁力計執(zhí)行相同的操作，并輸出原始數(shù)據(jù)以及氣壓計的輸出。除了這些單獨的傳感器之外，IMU 還具有 GPS 輔助功能。因此，您還將收到 GPS 提供的原始數(shù)據(jù)。當您購買 IMU 時，您將獲得這些數(shù)據(jù)。這些其他傳感器比 IMU 更好的原因是它們內(nèi)部仍然保留了所有這些 IMU 數(shù)據(jù)，但是有一種我們稱之為卡爾曼濾波器的東西，它將所有這些數(shù)據(jù)融合在一起，并輸出一些更容易讓客戶和工程師理解的東西，這引導我們到 AHRS，或姿態(tài)航向參考系統(tǒng)。

AHRS 詳解

AHRS 內(nèi)部具有所有這些相同的組件，并且輸出相同的原始數(shù)據(jù)。 AHRS 的特別之處在于卡爾曼濾波器?？柭鼮V波器的作用是做出假設，它是一系列算法，將所有這些數(shù)據(jù)融合在一起并輸出稱為橫滾、俯仰和偏航的數(shù)據(jù)。

3DMGX5-AHRS航姿參考系統(tǒng)傳感器

如果您不熟悉這些術語，我喜歡將滾動視為桶滾動。我喜歡將俯仰視為設備的向前和向后傾斜。偏航角由磁力計給出。所以它基本上是應用程序面向的羅盤方向。

卡爾曼濾波器到底是什么？

我在解釋 AHRS 模塊時使用的術語之一是卡爾曼濾波器。讓我們更詳細地了解卡爾曼濾波器是什么。正如我所說的卡爾曼濾波器是一系列算法。這樣您就有了 IMU 數(shù)據(jù)，即校準傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)。你有一個機器人。我們這里有一個機器人。我們給他一根天線吧。這是一輛沿著人行道行駛的小型漫游車。這是一個送貨機器人。這是為當?shù)匾患也蛷d送餐。機器人送燒烤。它沿著人行道行駛來送貨。假設這條人行道大約有三英尺。卡爾曼濾波器將獲取此 IMU 數(shù)據(jù)，并將其與 GPS 融合。 GPS 的精確度僅為兩米半到三米。那么，如果您只是在三英尺長的人行道上使用 GPS，這意味著什么呢？假設這是您的地圖，這些是通往街道的十字路口。從技術上講，你的機器人應該就在路邊。但由于 GPS 存在誤差，您的機器人可能位于該圓圈內(nèi)的任何位置。這是一個問題，因為如果你在三英尺寬的人行道上，而 GPS 的讀數(shù)精度僅為兩米半，你將永遠不知道你的機器人是否真的在人行道上，或者它是否在附近的某個地方。好吧，如果你離人行道太遠，你的機器人可能會被汽車碾過或撞到?？柭鼮V波器接收 IMU 內(nèi)部的每一個傳感器（包括 GPS），并且能夠?qū)⑺羞@些信息融合在一起。所以說，當你開始時，你的機器人確切地知道它在哪里?？柭鼮V波器能夠使用車輪里程計傳感器將該數(shù)據(jù)與 GPS 以及來自磁力計的數(shù)據(jù)融合，并且它能夠根據(jù)機器人的位置和要去的位置為您提供更準確的想法，因為所有正在進行的不同傳感器融合。因此，現(xiàn)在如果機器人的磁力計告訴它它現(xiàn)在不再向南行駛而是向東行駛，您就知道它正在朝錯誤的方向移動，而卡爾曼濾波器可以幫助您糾正計算機內(nèi)部、機器人內(nèi)部的問題本身。因此，現(xiàn)在如果機器人的磁力計告訴它它現(xiàn)在不再向南行駛而是向東行駛，您就知道它正在朝錯誤的方向移動，而卡爾曼濾波器可以幫助您糾正計算機內(nèi)部、機器人內(nèi)部的問題本身。因此，現(xiàn)在如果機器人的磁力計告訴它它現(xiàn)在不再向南行駛而是向東行駛，您就知道它正在朝錯誤的方向移動，而卡爾曼濾波器可以幫助您糾正計算機內(nèi)部、機器人內(nèi)部的問題本身。

在了解卡爾曼濾波器時，了解可以提供不同等級的卡爾曼濾波器非常重要。對于 AHRS 或姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，盡管該設備是 GPS 輔助的，但卡爾曼濾波器將僅限于融合從 IMU 本身接收的數(shù)據(jù)。因此，對于 GPS，您仍然會收到原始 GPS 坐標，但不幸的是，由于卡爾曼濾波器涉及姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，融合將因橫滾、俯仰和偏航而停止。如果您需要將 GPS 數(shù)據(jù)融入其中，我們建議您使用 INS（慣性導航系統(tǒng)）。那是因為它包含我們所說的擴展卡爾曼濾波器。

INS 適合我嗎？

INS 是所有傳感器的組合。它是 AHRS 和 IMU 的組合。 INS 代表慣性導航系統(tǒng)。關鍵字就在 s 里面。這是一個系統(tǒng)。一個系統(tǒng)基本上由一大堆正在完成的不同任務組成。因此，它獲取所有 IMU 數(shù)據(jù)，使用卡爾曼濾波器將所有 IMU 融合在一起，然后最后一步是將來自 AHRS 的所有融合數(shù)據(jù)與 GPS 融合在一起。這將為您提供更高的精度。

3DMGX5-GNSS/INS輔助慣性導航系統(tǒng)

我能想到的最好的例子之一就是我們的 INS 機載無人機。假設我們正在使用這架無人機進行精準農(nóng)業(yè)。它正在進行某種調(diào)查。因此，如果您使用 AHRS，它只會為您提供設備的橫滾、俯仰和偏航。一旦該數(shù)據(jù)與 GPS 融合，GPS 就會獲得高達千赫茲的更高更新率，并且它能夠在移動時進行更新，并且該數(shù)據(jù)將繼續(xù)融合。如果您失去 GPS 長達五秒，您不會丟失其路徑，因為傳感器融合將會接管。只要在這五秒鐘內(nèi)我們能夠恢復 GPS，您就不會丟失您正在使用的寶貴數(shù)據(jù)。

因此，為了幫助您更好地了解 INS 的功能，它需要來自 AHRS 的所有數(shù)據(jù)。因此，滾動、俯仰和偏航可以幫助系統(tǒng)了解無人機的方向，以確定其要去的位置。除此之外，它還與 GPS 融合。 GPS 具有我們所說的更新率。因此，隨著飛行，隨著這架無人機繼續(xù)飛行，它的路徑基本上會達到千赫茲。因此，這架無人機在位置方面經(jīng)歷的每一個小動作都會遵循這一點，這將有助于軟件輸出中的過濾器比 AHRS 或 IMU 的過濾器更加精確和準確。因為您獲得的不是原始 GPS 坐標，而是融合位置以及來自慣性傳感器的運動數(shù)據(jù)。

因此，將 INS 的精度水平與 IMU 的精度水平進行比較。它仍然會保留所有這些數(shù)據(jù)以及原始 GPS 坐標，但只會以 5 到 10 赫茲的速度更新。這意味著當你不知道你的設備在哪里時，與更新率明顯更高的千赫茲相比，存在所有這些錯誤空間。

總而言之，您擁有融合的傳感器數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)、慣性數(shù)據(jù)與 GPS 數(shù)據(jù)融合，后者以更高的速率輸出到此處的原始 GPS 坐標數(shù)據(jù)。間隔較遠的盒子之間的出錯空間明顯更大。因此，如果數(shù)據(jù)中存在這些差距，就會留下出錯的空間。

慣性傳感器應用

每個單獨的傳感器都有多種用例選項。這些用例實際上非常相似，即它實際上取決于購買這些傳感器的公司類型，您可以使用 IMU 代替 INS。如果這樣做，您需要準備構建自己的卡爾曼濾波器，該濾波器將融合其傳感器數(shù)據(jù)以使其成為 AHRS，并融合來自 GPS 的數(shù)據(jù)。因此 IMU 具有廣泛的用例。例如，您可以在自動駕駛汽車中使用它。您可以在使用四軸飛行器時使用它。您可以在某種海船或自主船上使用它。如果您要使用 IMU，請準備好使用您的資源，這對于開發(fā)您自己的濾波器可能很重要。

AHRS 也是如此。很多人從我們這里購買了 AHRS 用于用例，其中很多人不需要 GPS 融合。例如探索一個洞穴。他們有一架無人機，將其發(fā)送到礦井，并且不需要 GPS。因此，AHRS 對他們來說是更好的選擇，因為他們不需要創(chuàng)建自己的過濾器或算法來融合 GPS 數(shù)據(jù)，但同時，他們只需通過滾動和滾動即可完成所需的一切。俯仰和偏航。

如果你使用的是 INS，那是很多初創(chuàng)公司。坦率地說，許多與我們合作的初創(chuàng)公司只是不想利用自己的資源來構建自己的過濾器。需要很長時間才能制定 INS 所需的算法，使其按照您希望的方式執(zhí)行。因此，如果您不想制作自己的過濾器，并且想要開箱即用的過濾器，那么 INS 是最佳選擇。我們有四軸飛行器的用例。我們的傳感器在汽車中，我們的傳感器在許多不同類型的海洋應用中，國防和航空航天正在以多種不同的方式使用這種傳感器，因為他們想要制造他們的玩具。他們想要創(chuàng)造東西。他們不想通過軟件算法來提高 GPS 功能。