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淺談航向姿態測量系統AHRS?與IMU的區別
- 2019-07-01-

        航姿參考系統包括基于MEMS的三軸陀螺儀,加速度計和磁力計。航姿參考系統與慣性測量單元IMU的區別在于,航向姿態測量系統AHRS包含了嵌入式的姿態數據解算單元與航向信息,慣性測量單元(IMU)僅僅提供傳感器數據,并不具有提供準確可靠的姿態數據的功能。目前常用的航姿參考系統(AHRS)內部采用的多傳感器數據融合進行的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

        航姿參考系統包括以下特點:高精度360度全方位位置姿態輸出,采用歐拉角的會具有萬向鎖,不能全向轉動;高效的數據融合算法快速動態響應與長時間穩定性(無漂移,無積累誤差)相結合;輸出模式分為三維全姿態數據(四元數/歐拉角/旋轉矩陣/原始數據)和三維加速度/三維角速度/三維地磁場強度。

        AHRS原本起源于飛行器相關技術,但是近幾年隨著成本的器件成本的不斷降低,也被廣泛的應用于機動車輛與無人機,工業設備,攝像與天線云臺,地面及水下設備,虛擬現實,生命運動科學分析等需要三維姿態測量的產品中。

慣性測量單元是通過加速度計和陀螺儀測量運動載體的方位與姿態的裝置,它與AHRS的功能與裝置都很相像,但是最大的區別是航姿參考系統包含了嵌入式的姿態數據解算單元與航向信息,慣性測量單元僅僅提供傳感器數據,并不具有提供準確可靠的姿態數據的功能。缺少了一部分功能并不一定是不好的地方,因為缺少一部分單元,使得它的成本相較更低,可以應用于更多的地方,進行各種設備的方位測量。

        慣性測量單元是由三個加速度計和三個陀螺儀組成,三個是為了能測量三軸的方位,這幾個加速度計和陀螺儀分別沿著空間的三軸輸入,也就是三個相互垂直的方向軸。通過這樣的分布設計,使得它可以對空間中運動載體的任意線運動或者角運動,但因為陀螺儀測量的是相對空間的位置變化,而需要測量的載體需要系統的參照對象,因此需要進行坐標變換,這樣便得到想要測量的數據。

        慣性測量單元主要應用于需要運動后物體方位與姿態控制的設備上,如汽車、機器人、導彈等。目前雖然用于飛行器這類設備上更多,但隨著技術的發展與進步,更多的工業設備也開始用它進行方位測量。值得一提的是,現在這種技術也開始實驗應用于農業作業,因為農業作業時操作機器容易發生事故,用慣性測量單元進行實時檢測設備,則可以大大降低事故發生的可能性。因此,它的應用范圍也是越來越大。

        主要通過各種補償與提高儀器可靠性來實現慣性測量單元消除誤差。北微傳感的慣性測量單元采用MEMS加速度計和陀螺儀,并通過算法保證測量精度,同時密封設計以及嚴格的生產工藝保證產品在惡劣的環境下仍能精密地測量載體的角速度、加速度和姿態等運動參數。通過非線性補償、正交補償、溫度補償和漂移補償等多種補償,可以大大消除誤差源,提高產品精度水平。       

        慣性測量單元是組成慣性測量系統的基本單元,但它也可以單獨作用于運動物體上,進行方位與姿態的測量。慣性測量單元因其體積小、重量輕、可靠性高等優點,將應用于更多的地方,如戰術武器制導、自動駕駛汽車安全防護等,它的發展方向也將是體積越來越小,精度越來越高。


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