惯性测量单元(Inertialmeasurementunit，IMU)，是测量物体三轴姿态角以及加速度的装置。IMU通常包含陀螺仪(Gyroscope)、加速度计(Accelermeters)，有的还包含磁力计(Magnetometers)。陀螺仪用来测量三轴的角度/角速度，加速度计用来测量三轴的加速度，磁力计提供磁场朝向信息。
IMU在手机、VR，航空航天领域都有着广泛应用。比如手机的记步功能就是利用IMU的算法达成；VR中IMU可实现随头部姿态变化而切换场景；Apollo登月中依赖IMU实现位置追踪和朝向确认。在自动驾驶领域，IMU同样是重要的导航和定位组件。
IMU的应用
2.陀螺仪(Gyroscope)原理
2.1角动量守恒与机械陀螺仪
先从最古老的陀螺仪看起，顾名思义，陀螺仪的核心是一个陀螺。当其开始旋转，陀螺仪会绕着当前旋转轴旋转、抗拒改变方向的趋势，这就是角动量守恒。骑自行车、摩托车不会摔倒也是这个原理，巨型轮船采用的陀螺仪船身稳定系统还是利用这个原理。
机械陀螺仪的基本部件有：
**陀螺转子：**常采电机驱动使陀螺转子绕自转轴高速旋转，其转速近似为常值。
**内、外框架：**使陀螺自转轴获得所需角转动自由度；
**附件：**力矩马达、信号传感器等。
机械陀螺仪
当陀螺高速旋时，理想情况下其姿态可以视为不变。此时，当搭载陀螺仪物体的姿态发生变化，则机械陀螺仪的内外框架相对于陀螺的角度就发生了变化。只要测量角度，或者角速度，即可完成对位姿的测量。角度、角速度的测量方式有很多种，可以是光电码盘，可以是各种电阻、电容、霍尔器件，大学学过《传感器原理的》可以回忆一下。
机械陀螺仪的工作原理
机械陀螺仪基于的原理是经典力学，因此其历史并不算短，早在1904年第一个机械陀螺仪系统就被设计出来。机械陀螺仪早期应用在武器制导、航空航天领域较多，比如二战时候的V2火箭就采用了陀螺仪导航，尽管其导航并不准确，总是离目的地很远。
V2火箭中的陀螺仪应用
传统陀螺仪的巅峰是静电陀螺仪，其利用超高真空中的强电场对陀螺进行支承，达成一个近乎理想的环境，没有机械接触，甚至没有气体阻力（这与托克马克装置的电磁约束有点相似），这使得它得漂移率变得相当低。但显然，如此精密、复杂且昂贵的设备，是别想在民用领域有什么发展了。
静电陀螺仪
而随着70年代先进加工工艺、光学原理的发展也应用，环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪等逐渐出现**。**这些新的陀螺仪的原理已不再是原始的“角动量守恒”，也不再需要高速旋转的机械陀螺转子。最为关键的是其小型化和高可靠性的特点，使其广泛应用于高精度惯导系统中。我们接下来讨论这些新型的陀螺仪：
2.2Sagnac效应与光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪
2.2.1Sagnac效应
而光在介质中的运动也出现了这一现象，运动环路的光程相对于静止环路的光程发生了变化。利用光程的这种变化，将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，显然环形光路不同的角速度会->引发不同的光程->造成不同的干涉条纹。通过观察干涉条纹，我们即可判断光路旋转的角速度。
Sagnac效应，fromWikipedia
笔者曾查过引起Sagnac效应的物理学原理，但是网上的说法不一，也超出了我的理解范围。**我粗鄙的理解是：**光速在真空中是恒定的，而在介质中的光速会降低，然后似乎又可以符合经典运动学的原理。
利用Sagnac效应的两种陀螺仪分别是环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪：
2.2.2环形激光陀螺仪RinglaserGyroscope：
RinglaserGyroscope
出现最早的是环形激光陀螺仪，其核心是利用一个激光发射器和反射镜来制造一个“环形介质通道”。最早1963年，美国海军的Macek和Davis演示了环形激光陀螺仪的实验，而后基于Sagnac效应的陀螺仪蓬勃发展。显然，环形激光陀螺仪是**“纯固态”**方案，完全没有运动部件，其尺寸也就更小，可靠性更高。其精度可以达到0.01°/小时。
环形激光陀螺仪的锁定
环形激光陀螺仪的一个缺点是：在超低速下会受到锁定现象的影响，从而无法正确检测旋转。在超低速旋转过程中，正向和反向旋转的激光束的频率非常接近。当两束光通过串扰进入另一个光路并到达激光振荡部分时，就会发生激光振荡注入锁定，并且固定在光纤上形成的驻波而不会对角位移产生反应。
2.2.3光纤陀螺仪FiberopticGyroscope
而光纤陀螺仪的设计更加巧妙，其直接**通过光纤来制造环形介质通道。**相比前者，不需要光学镜的精密加工、光腔的严格密封，而且从根本上避免了激光锁定问题。
FiberopticGyroscope光纤陀螺仪
2.3科氏力与MEMS陀螺仪
2.3.1科里奥利力：
微机电陀螺仪基于的原理是科里奥利力（学习过《理论力学》课程的应该不陌生）。科氏力的定义稍微有点难懂，简而言之：以旋转体参考系观察，一个沿径向直线运动的物体，会由于转动的线速度不同而有偏离原有方向的倾向，这个倾向可以归结为一个外加力的作用。
科氏力的直观描述
如图所示，在顺时针旋转的圆盘上，当人从圆心走向边缘，假定这个过程中人沿圆盘切向的线速度不变，走到的脚下的圆盘时，因为半径的增大而线速度增大，所以**小人相对圆盘就有相对向左的运动趋势。**人站在圆盘上视角看，像是受到了一个向左的力一样。
把人换成弹簧振子，当振子向圆盘边缘运动的时候，会受到向左的一个力；当振子往圆心运动的时候，则会受到向右的一个力。再把弹簧振子连接上垂直于振动方向的电容和弹簧，就可以把科氏力的作用转化为电容值的变化。
科里奥利力_哔哩哔哩
2.3.2MEMS微机电系统
下图加工出来的结构在机械学领域叫**“柔性铰链”或“柔性振子”。**（此技术在MEMS激光雷达中也有应用）。柔性结构可以在特定的方向存在一定的弹性性变空间，就像上面的弹簧一样。（注意，是特定方向，不是每个方向都能有形变空间）
MEMS陀螺仪的柔性振子，红色箭头为允许运动的方向，蓝色为想要检测的旋转方向
我们还知道，所有物体都有一定的自身频率，当外界施加频率与自身频率相同时即会发生共振。
对于MEMS陀螺仪，即采用14kHZ的交变电压使柔性振子，沿图中红色箭头方向，发生周期性的共振。当检测单元沿蓝色轴线存在转动时候，正在直线运动的柔性振子就会受到科氏力而产生偏移，从而产生14kHZ的上下的震荡，使用电容传感器检测这一振幅，即可得到所受到的科氏力，进而得到旋转的角速度。
在三个正交的轴上布置该种传感器，即可够成一个完整的MEMS陀螺仪。显然，MEMS技术使得这种陀螺仪体积更小，集成度更高，更加方便规模化的制造。例如，给手机、VR用的MPU6050就是MEMS技术的陀螺仪，其面积比小拇指盖都要小不少。
当然，MEMS的也存在一些缺点，最显著的就是结构比较脆弱。
MPU6050
下面的视频较好地阐述了MEMS陀螺仪的原理，推荐观看：
手机里的陀螺仪，是个微型陀螺吗，解密手机陀螺仪原理_哔哩哔哩
3.加速度计(Accelermeters)原理
3.1加速度计原理
3.2加速度计的小型化：MEMS技术
同理，加速度计也可以通过MEMS的手段来实现微型化和集成化。MEMS加速度计的原理如图所示，在硅芯片上用Laser加工出**微型柔性铰链，**使柔性铰链在待检测方向上具有一定形变空间。
当检测方向上存在一定的加速度，即柔性铰链发生位移，即可利用电容传感器检测、换算出加速度大小。同样地，在正交的三个轴上布置该模块即可构成一个完整的加速度传感器。
MEMS加速度计
4.组合导航
4.1IMU的优缺点
IMU的优点：
相对位置的推演不存在任何外部依赖，是一个完备的系统。相比之下，如GNSS依赖于卫星的覆盖，Lidar，Camera则依赖于对外部的感知，存在一定的不稳定性。
正因如此，IMU几乎不受外来信号干扰。除了强烈的机械冲击之外，电磁干扰，强光，特殊天气，地形条件等会对其他传感器造成扰动的因素对于IMU通通不起作用。
IMU的不足：
IMU只能提供相对位置和姿态的推演，但却无法从全局角度提供绝对位置信息；
陀螺仪的漂移Drift
4.2车用IMU的发展方向
毫无疑问，车用的IMU必定是基于MEMS技术的，而机械式和光纤式。MEMS的体积更小，芯片化的IMU更容易集成。至于成本－性能，MEMS产品的跨度也更大。当前顶级的MEMS产品并不比光纤陀螺仪差，我曾经做过一些实际调查，Applanix的AP系列高精度的MEMSIMU的性能指标和同价位Novatel的光纤IMU的性能是基本一样，甚至可能更佳。这说明MEMS方案能达成的极限还是很高的，而一些性能较差的IMU则有着价格优势。光纤陀螺仪起手的性能就很好，但价格区间也高。类似下图：
MEMS、光纤IMU的成本－性能对比
4.3组合导航原理
组合惯导的工作逻辑
组合导航与其他定位方式的对比如下表：
不同定位方法之间的对比，From《ASurveyofAutonomousDriving:CommonPracticesandEmergingTechnologies》
在组合导航中，IMU也是自动驾驶定位的一道防线，其理由是：
IMU的作用
事实上，当前的一系列主机厂在许多车型上都采用了组合GNSS-RTK+IMU的组合导航模块：比如**ZEDF9R。**其量产成本不到千元，能够为ADAS系统提供极高的安全冗余。