惯性测量单元（IMU）系列介绍（1）——加速度计简介

1. 引言

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit， IMU）主要用来检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动。通常是指使用加速度计和陀螺仪来测量物体单轴、双轴或三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。狭义上，一个IMU内在正交的三轴上安装陀螺仪和加速度计，共6个自由度，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，这就是我们熟知的“6轴IMU”；广义上，IMU可在加速度计和陀螺仪的基础上加入磁力计，可形成如今已被大众知晓的“9轴IMU”，可用于提升航向角的测量精度。

其中，陀螺仪用于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。加速计被用于测量设备的受力情况，擅长探测设备相对外部参考物(比如，地面)的运动。但对于设备相对于地面的摆放姿势的测量，则精确度不高。磁力计主要用于定位设备的方位，可以测量当前设备与东南西北四个方向的夹角。所以，利用陀螺仪可以知道“我们转了个身”，利用加速计可以得知“我们又向前走了几米”，而通过磁力计则可明确“我们是向西方向”的。

IMU在导航中的核心价值无可替代，为了提高其可靠性，还可以为每个单轴配备更多种类的传感器。为保证测量准确性，一般IMU要安装在被测物体的重心上。IMU应用广泛，除了在专业导航中使用，其应用范围涉猎远至军事防御、航空航天、海事等领域，近至日常的智能手机、汽车/火车、无人驾驶、智能家居等方面均会使用。

因为IMU由加速度计、陀螺仪和磁力计构成，则调研中分别介绍了这三者的原理、分类和主要参数。

1. 加速度计简介

加速度计是一种能够测量加速度的传感器。传统机械加工方法制造的加速度计因体积大、质量大、成本高，应用场合受到很大限制。随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)技术的发展，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

1. 1. 加速度计原理

加速度计的本质是检测力而非加速度，即加速度计的检测装置捕获的是引起加速度的惯性力，随后可利用牛顿第二定律获得加速度值，原理可抽象如下：

有一个小球位于一个盒子的正中央，假定该盒子不在重力场中或者其他任何会影响球的位置的场中，如图1（a）。给盒子分配三对墙（移除Y+以此来观察），并假设每面墙都能感测压力。如果突然把盒子向左移动，那么球会撞上X-墙，如图1（b）。通过检测球撞击墙面产生的压力，便可得到相应的加速度值。

图1.加速度计工作原理图

1. 1. 加速度计分类

加速度计是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。结构包括由硅膜片、上盖、下盖，膜片处于上盖、下盖之间，键合在一起。一维或二维纳米材料、金电极和引线分布在膜