《智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器技術與應用》課件 能力模塊七 掌握慣性測量單元IMU技術與應用

認知IMU定位技術《智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器技術與應用》能力模塊七掌握慣性測量單元（IMU)技術與應用從目前的情況看，園區(qū)或室內(nèi)的自動駕駛技術已經(jīng)日趨成熟，而開放道路，尤其是城市環(huán)境下的全自動駕駛技術仍然處于研發(fā)和測試階段。例如在穿過車輛穿過隧道的時候，GPS的信號減弱，衛(wèi)星無法定位，此時IMU慣性測量單元就可以輔助GPS完成定位，你作為智能網(wǎng)聯(lián)傳感器工程師你了解IMU的定位及組成嗎？任務導入任務目標了解慣性導航系統(tǒng)的定義了解慣性導航系統(tǒng)的組成了解慣性導航系統(tǒng)的分類熟知慣性導航傳感器的優(yōu)缺點獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創(chuàng)新意識。具有良好的團隊協(xié)作精神和較強的組織溝通能力。具備良好的職業(yè)道德，尊重他人勞動，不竊取他人成果。Contents目錄慣性導航系統(tǒng)定義1慣性導航系統(tǒng)的組成2慣性導航傳感器的優(yōu)缺點4慣性導航傳感器分類301慣性導航系統(tǒng)定義慣性導航系統(tǒng)定義慣性導航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem，INS)，簡稱為慣導，是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量，基于慣性測量單元并使用軟件對信息進行數(shù)據(jù)分析的自主式導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的輸出建立導航坐標系，根據(jù)加速度計輸出解算出運載體在導航坐標系中的速度和位置。慣性導航系統(tǒng)至少包括計算機及含有加速度計、陀螺儀或其他運動傳感器的平臺（或模塊）如慣性測量單元。慣性導航系統(tǒng)定義慣性導航系統(tǒng)屬于一種推算導航系統(tǒng)，即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動載體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當前位置。02慣性導航系統(tǒng)的組成慣性導航系統(tǒng)的組成慣性導航系統(tǒng)通常由慣性測量單元（IMU）、計算機、控制顯示器等組成。慣性導航系統(tǒng)的組成慣性測量單元（IMU）慣性測量單元（IMU）包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導航組合。自由度組成測量內(nèi)容6DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀線性+旋轉(zhuǎn)速率9DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場10DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計+氣壓計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場+高度慣性導航系統(tǒng)的組成慣性測量單元自由度示意圖慣性導航系統(tǒng)的組成加速計加速度計用于測試載體的運動加速度，然后用于計算載體的實時位置，是一個測量結(jié)構(gòu)的振動或運動加速度的設備；主要用于車輛電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，以測量車輛的實際運動。慣性導航系統(tǒng)的組成陀螺儀陀螺儀用來測量轉(zhuǎn)動運動，可以測量瞬時角速率或角位置信息，提供各軸（及其上加速度計）在各時刻的方向。慣性導航系統(tǒng)的組成計算機計算機根據(jù)測得的加速度信號計算出速度和位置數(shù)據(jù)。用于進行積分、相加、乘除和三角函數(shù)等數(shù)學計算。慣性導航系統(tǒng)的組成控制顯示器控制顯示器的功能主要是顯示各種導航參數(shù)，方便實時調(diào)整各項參數(shù)。03慣性導航傳感器分類慣性導航傳感器分類按傳感器的數(shù)量分類即只有3軸陀螺儀的IMU，其因為只有一個3軸陀螺儀，所以只能感知載體roll（翻滾角）、pitch（俯仰角）、yaw（偏航角）共3個自由度的姿態(tài)信息。在3軸IMU的基礎上加裝了3軸加速度計，因此在感知載體姿態(tài)的基礎上，還能感知載體3個自由度上的加速度信息。在6軸IMU的基礎上加裝了3軸磁強計，由于3軸陀螺儀只能估計載體自身的相對位姿變化，單憑3軸陀螺儀無法獲取載體的全部姿態(tài)信息，而通過3軸磁強計就可以，本質(zhì)上磁強計的感知原理類似于指南針。3軸IMU6軸IMU9軸IMU慣性導航傳感器分類按照力學編排實現(xiàn)形式分類捷聯(lián)式慣導采用數(shù)學算法確定出導航坐標系，即將加速度計和陀螺儀直接安裝在運載體上，陀螺儀輸出用來計算運載體相對導航坐標系的姿態(tài)變化，加速度計輸出經(jīng)姿態(tài)變化至導航坐標系內(nèi)。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)慣性導航傳感器分類按照力學編排實現(xiàn)形式分類平臺式慣導是采用物理平臺模擬導航坐標系統(tǒng)，即將加速度計安裝在穩(wěn)定平臺上，穩(wěn)定平臺由陀螺儀控制，使平臺始終跟蹤要求的導航坐標系。平臺式慣性導航系統(tǒng)慣性導航傳感器分類不同類型慣導系統(tǒng)發(fā)展前景類別主要應用級別定位誤差典型值定向誤差典型值技術特征環(huán)境適應性發(fā)展前景平臺式慣性導航中高導航級、運動隔離1~2海里/小時0.1~0.2°機電一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部有三到四個實體框架抗震、抗沖擊能力有限局部被淘汰，市場猥瑣捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)高中低導航級、穩(wěn)定控制小于1海里/小時0.05~0.1°電子數(shù)字化系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部沒有活動部件抗震、抗沖擊能力強主流應用形式04慣性導航傳感器的優(yōu)缺點優(yōu)點由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)，故隱蔽性好，且不受外界電磁干擾的影響。能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好且噪聲小?？扇旌虻毓ぷ饔诳罩?、地面乃至地下。數(shù)據(jù)更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好。優(yōu)點1優(yōu)點3優(yōu)點4優(yōu)點2慣性導航傳感器的優(yōu)缺點缺點偏移誤差，表現(xiàn)為陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會有非零的數(shù)據(jù)輸出。比例誤差，即所測量的輸出和被檢測輸人的變化之間的比例的誤差。背景白噪聲，該誤差如果不糾正，也會導致無法再跟蹤汽車的位置。數(shù)據(jù)更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好。缺點1缺點3缺點4缺點2慣性導航傳感器的優(yōu)缺點缺點慣性導航傳感器的優(yōu)缺點眼睛在黑暗中什么都看不見的情況下，只能根據(jù)自己的經(jīng)驗，極為謹慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西，用以確定自己所在的位置。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。感

謝

觀

看《智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器技術與應用》實現(xiàn)IMU定位技術的應用《智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器技術與應用》能力模塊七掌握慣性測量單元（IMU)技術與應用在自動駕駛紛繁復雜無法窮舉的工況中，IMU像一顆定海神針，為自動駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。為什么自動駕駛系統(tǒng)在定位領域的最后一道防線是IMU，而不是其它技術呢？通過本文學習總結(jié)原因。任務導入任務目標了解慣性導航傳感器工作原理掌握IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析了解慣性導航系統(tǒng)的應用獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創(chuàng)新意識。具有良好的團隊協(xié)作精神和較強的組織溝通能力。具備良好的職業(yè)道德，尊重他人勞動，不竊取他人成果。Contents目錄慣性導航系統(tǒng)的工作原理1IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析2慣性導航系統(tǒng)的應用301慣性導航傳感器的工作原理慣性導航傳感器的工作原理慣性導航系統(tǒng)的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學的基礎上的：一個物體如果沒有外力作用，將保持靜止或勻速直線運動。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以得到以下測量過程：如果能夠測到加速度，通過加速度對時間的兩次積分能夠獲得位移，以此實現(xiàn)位置定位；如果能夠測量到角速度，通過積分可以獲取位置信息，將它們結(jié)合在一起可以獲得物體的實際狀態(tài)加速度傳感器陀螺儀導航計算姿態(tài)矩陣姿態(tài)矩陣計算姿態(tài)角計算載體姿態(tài)角載體速度和位置置02IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析每一幀的數(shù)據(jù)包含以下信息：幀頭（byte1~2）占兩個字節(jié)；幀尾（byte40）占一個字節(jié)。長度段（25）：byte3為長度段，所表示的是數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)，將十六進制數(shù)25轉(zhuǎn)換為十進制可得37，除去幀頭和幀尾所占三個字節(jié)，一幀共37個字節(jié)數(shù)據(jù)。IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析byte4~9從左到右依次為航向、俯仰、橫滾，每個數(shù)據(jù)的長度段為兩字節(jié)，將數(shù)據(jù)幀中十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)再乘以0.1就可得到相應數(shù)據(jù)的值。IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析加速度(byte10~15)：從左到右依次為X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度，長度段都為兩字節(jié)，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)之后除以16384可得相應數(shù)據(jù)的值。角速度(byte16~21)：從左到右依次為X軸角速度、Y軸角速度、Z軸角速度，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)之后除以32.8可得相應數(shù)據(jù)的值。IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析磁強度(byte22~27)：從左到右依次為X軸磁強度、Y軸磁強度、Z軸磁強度，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)之后乘以0.0015可得相應數(shù)據(jù)的值。IMU數(shù)據(jù)協(xié)議解析byte28~31為缺省，長度段為4個字節(jié)，數(shù)值為0。溫度（byte32~33）：計算方式為相應十進制數(shù)乘以0.01。時間戳（byte34~37）：長度段為4個字節(jié)，轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)可得數(shù)據(jù)相應的值，單位為毫秒。byte38~39分別為磁狀態(tài)標志和校驗和。03慣性導航系統(tǒng)的應用慣性導航系統(tǒng)的應用慣性導航系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應用中，憑借其高可靠性可實現(xiàn)汽車全地形導航，比如當汽車行駛在隧道中時受地形影響有可能會導致GPS信號丟失，這個時候慣性導航系統(tǒng)可發(fā)揮作用完成汽車導航。這時候GPS+IMU的組合就形成組合導航。慣性導航系統(tǒng)