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浅谈航向姿态测量系统AHRS​与IMU的区别
- 2019-07-01-

        航姿参考系统包括基于MEMS的三轴陀螺仪,加速度计和磁力计。航姿参考系统与惯性测量单元IMU的区别在于,航向姿态测量系统AHRS包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息,惯性测量单元(IMU)仅仅提供传感器数据,并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。目前常用的航姿参考系统(AHRS)内部采用的多传感器数据融合进行的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。

        航姿参考系统包括以下特点:高精度360度全方位位置姿态输出,采用欧拉角的会具有万向锁,不能全向转动;高效的数据融合算法快速动态响应与长时间稳定性(无漂移,无积累误差)相结合;输出模式分为三维全姿态数据(四元数/欧拉角/旋转矩阵/原始数据)和三维加速度/三维角速度/三维地磁场强度。

        AHRS原本起源于飞行器相关技术,但是近几年随着成本的器件成本的不断降低,也被广泛的应用于机动车辆与无人机,工业设备,摄像与天线云台,地面及水下设备,虚拟现实,生命运动科学分析等需要三维姿态测量的产品中。

惯性测量单元是通过加速度计和陀螺仪测量运动载体的方位与姿态的装置,它与AHRS的功能与装置都很相像,但是最大的区别是航姿参考系统包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息,惯性测量单元仅仅提供传感器数据,并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。缺少了一部分功能并不一定是不好的地方,因为缺少一部分单元,使得它的成本相较更低,可以应用于更多的地方,进行各种设备的方位测量。

        惯性测量单元是由三个加速度计和三个陀螺仪组成,三个是为了能测量三轴的方位,这几个加速度计和陀螺仪分别沿着空间的三轴输入,也就是三个相互垂直的方向轴。通过这样的分布设计,使得它可以对空间中运动载体的任意线运动或者角运动,但因为陀螺仪测量的是相对空间的位置变化,而需要测量的载体需要系统的参照对象,因此需要进行坐标变换,这样便得到想要测量的数据。

        惯性测量单元主要应用于需要运动后物体方位与姿态控制的设备上,如汽车、机器人、导弹等。目前虽然用于飞行器这类设备上更多,但随着技术的发展与进步,更多的工业设备也开始用它进行方位测量。值得一提的是,现在这种技术也开始实验应用于农业作业,因为农业作业时操作机器容易发生事故,用惯性测量单元进行实时检测设备,则可以大大降低事故发生的可能性。因此,它的应用范围也是越来越大。

        主要通过各种补偿与提高仪器可靠性来实现惯性测量单元消除误差。北微传感的惯性测量单元采用MEMS加速度计和陀螺仪,并通过算法保证测量精度,同时密封设计以及严格的生产工艺保证产品在恶劣的环境下仍能精密地测量载体的角速度、加速度和姿态等运动参数。通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿等多种补偿,可以大大消除误差源,提高产品精度水平。       

        惯性测量单元是组成惯性测量系统的基本单元,但它也可以单独作用于运动物体上,进行方位与姿态的测量。惯性测量单元因其体积小、重量轻、可靠性高等优点,将应用于更多的地方,如战术武器制导、自动驾驶汽车安全防护等,它的发展方向也将是体积越来越小,精度越来越高。


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