在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)里面，IMU是一個(gè)舉足輕重的關(guān)鍵零件，而偏偏在對(duì)外宣傳上存在感不高，原因之一是性能指標(biāo)到自動(dòng)駕駛表現(xiàn)鏈路太長(zhǎng)，而且零件的價(jià)格/性能是指數(shù)增長(zhǎng)的，目前供應(yīng)鏈上IMU產(chǎn)品還是太貴了。這篇我就和大家聊聊IMU以及它的主要應(yīng)用——慣導(dǎo)定位。還是會(huì)拆成幾篇來寫，目錄預(yù)告如下：
IMU是怎么測(cè)量運(yùn)動(dòng)的
教你看懂IMU的指標(biāo)
IMU在自動(dòng)駕駛上有什么用
1. IMU是怎么測(cè)量運(yùn)動(dòng)的？
IMU全稱Inertial Measurement Unit，即慣性測(cè)量單元，主要用來測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的傳感器。物體的空間運(yùn)動(dòng)有6個(gè)自由度，沿著三軸的平動(dòng)和繞著三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。既然叫做慣性測(cè)量單元，那么就是靠慣性定律來進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于平動(dòng)的測(cè)量通常采用加速度計(jì)的方式，而轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量是通過陀螺儀來實(shí)現(xiàn)。
機(jī)械陀螺大家小時(shí)候都玩過，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以保持原有的運(yùn)動(dòng)軸線，通過測(cè)量陀螺軸線和載體支架之間的角度變化，就可以得到運(yùn)動(dòng)的角度了，當(dāng)然也可以得到角速度。看看下面的視頻：
機(jī)械式陀螺儀
機(jī)械陀螺儀
當(dāng)然車上是不可能用到這種復(fù)雜而古老的機(jī)械陀螺了。精度更高的是激光陀螺和光纖陀螺。激光陀螺（RLG）是一種以薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)為基礎(chǔ)的光學(xué)陀螺，通過測(cè)量閉合光路中由于外界轉(zhuǎn)動(dòng)引起干涉條紋變化而獲得轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。
激光陀螺儀
不過激光陀螺和光纖陀螺還是太昂貴了，都是在航空航天和導(dǎo)彈中才用得起，車上可以使用的還是小巧的MEMS IMU。
MEMS 加速度計(jì)的原理非常好理解，對(duì)于一個(gè)彈簧振子系統(tǒng)，由于平動(dòng)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力作用在振子上會(huì)產(chǎn)生位移，如果將這個(gè)振子連上梳齒電容，則振子的位移會(huì)讓梳齒電容間距發(fā)生變化，從而影響電容值的變化，通過電容測(cè)量電路就可以將加速度這個(gè)物理量通過電信號(hào)的方式反饋出來，我們也就得到了加速度值。下圖為iPhone4里面的結(jié)構(gòu)。
MEMS Journal -- The Largest MEMS Publication in the World: Motion sensing in the iPhone 4: MEMS accelerometer
而轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量則要復(fù)雜一些，這涉及到高中物理中好多人搞不懂的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：科里奧利力與科里奧利加速度。
科里奧利力的定義稍微有點(diǎn)復(fù)雜，簡(jiǎn)單來說就是以旋轉(zhuǎn)體系為參考系觀察，延徑向直線運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)由于轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度不同而有偏離原有方向的傾向，這個(gè)傾向可以歸結(jié)為一個(gè)外加力的作用，這個(gè)描述有點(diǎn)抽象，用下面這張圖來說明。
在這樣一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓盤上，當(dāng)小人從圓心處走向邊緣處，假定這個(gè)過程中小人的切向線速度不變，而走到的腳下的圓盤因?yàn)榘霃降脑龃蠖€速度增大，所以小人相對(duì)圓盤就有相對(duì)向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。站在圓盤上看，就好像收到了一個(gè)向左的力一樣。
而如果把小人換成一個(gè)彈簧振子，當(dāng)振子往上（邊緣）運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，收到向左的一個(gè)力；當(dāng)振子往下（圓心）運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，則會(huì)受到向右的一個(gè)力。
如果把這個(gè)彈簧振子連接上垂直于振動(dòng)方向的梳齒電容和彈簧，就可以把科里奧利力的作用轉(zhuǎn)化為電容值的變化，通過電信號(hào)獲得。而科里奧利力的大小，又與載體旋轉(zhuǎn)的角速度和垂向運(yùn)動(dòng)速度（振動(dòng)頻率）相關(guān)，通過精密控制和測(cè)量，就可以得到載體運(yùn)動(dòng)的角速度了。下圖為iPhone 4里面陀螺儀結(jié)構(gòu)
MEMS Journal -- The Largest MEMS Publication in the World: Motion sensing in the iPhone 4: MEMS gyroscope
