1. 什么是IMU
IMU全称是Inertial Measurement Unit，也叫惯性测量单元。它是一种测量物体运动状态和姿态的电子设备，通过检测和报告物体的加速度、角速度和姿态信息，实现对物体运动的精确追踪。它不依赖外部信号（如GPS），具有自主性强、高频响应的特点，是惯性导航系统的核心传感器。
2. 基本组成
一个典型的IMU包含以下核心传感器：
- 三轴加速度计：测量线性加速度（单位：m/s²），可推导出倾角。
- 三轴陀螺仪：测量角速度（单位：rad/s 或 °/s），用于计算旋转变化。
- （可选）三轴磁力计：测量磁场方向（单位：μT），辅助校准航向（此时称为AHRS）。
3. 工作原理
IMU通过 “航迹推算” 原理工作：
- 加速度计：基于牛顿第二定律（F=ma），通过微机电系统（MEMS）测量惯性力，静态时可测重力方向。
- 陀螺仪：利用科里奥利力或光学效应（如光纤陀螺）检测旋转角速度。
- 数据融合：
- 原始数据通过滤波算法（如卡尔曼滤波） 融合，减少噪声和漂移误差。
- 结合初始姿态，通过积分计算位置和姿态变化（姿态角：俯仰角、横滚角、偏航角）。
4. 坐标系定义
IMU数据必须基于一个明确的本体坐标系。最常见的是右手坐标系：
- X轴：指向传感器正面或右侧（数据手册会定义）。
- Y轴：指向传感器左侧或正面（与X轴垂直）。
- Z轴：指向上方（垂直于X-Y平面，符合右手定则）。
在解读数据前，必须查阅具体IMU型号的数据手册以确认其坐标系定义！
5. 应用场景
| 领域 | 具体应用 |
|---|---|
| 消费电子 | 智能手机屏幕旋转、游戏控制、运动手环步数检测 |
| 自动驾驶 | 车辆定位辅助（与GPS融合）、姿态稳定控制 |
| 航空航天 | 飞机/无人机导航、飞行姿态控制、导弹制导 |
| 机器人 | 平衡控制（如两轮机器人）、机械臂运动追踪 |
| VR/AR | 头部追踪、手柄动作捕捉 |
| 工业检测 | 平台稳定、振动监测 |
6. 返回数据
6.1. 概要说明
IMU通常输出以下数据（示例格式）：
| 数据类型 | 物理量 | 典型单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 原始数据 | 三轴加速度 | m/s² | 包含重力分量 |
| 三轴角速度 | rad/s | 绕X/Y/Z轴的旋转速率 | |
| （若有）三轴磁场强度 | μT | 地磁场测量值 | |
| 融合数据 | 姿态角（欧拉角） | °（度） | 俯仰（Pitch）、横滚（Roll）、偏航（Yaw） |
| 四元数（Quaternion） | 无单位 | 更稳定的姿态表示（w,x,y,z） | |
| 辅助数据 | 温度 | ℃ | 用于传感器误差补偿 |
| 时间戳 | ms | 数据同步依据 |
6.2. 原始数据
原始数据是最底层的数据,这是IMU芯片直接测量并输出的物理量，未经任何姿态解算。通常以三轴分量的形式提供。
6.2.1. 加速度计数据
- 单位：
m/s²或g(1g ≈ 9.8 m/s²) - 数据说明：
- 三个浮点数：
(accel_x, accel_y, accel_z) - 表示传感器本体坐标系三个轴上感受到的总加速度。
- 关键点：这个“总加速度”是 “运动加速度” 和 “重力加速度” 的矢量之和。
- 当传感器静止水平放置时：
(0, 0, 1g)或(0, 0, 9.8)。Z轴感受到全部重力。 - 当传感器自由落体时：
(0, 0, 0)。重力和运动加速度抵消。 - 当传感器在水平面加速运动时：会在运动方向产生一个非零值。
- 当传感器静止水平放置时：
- 三个浮点数：
6.2.2. 陀螺仪数据
- 单位：
°/s或rad/s - 数据说明：
- 三个浮点数：
(gyro_x, gyro_y, gyro_z) - 表示传感器绕其本体坐标系三个轴旋转的角速度。
- 正值通常代表：绕该轴正方向右手螺旋定则的旋转。
- 示例：
(0, 0, 90)表示传感器正以每秒90度的速度绕Z轴旋转（例如正在水平面上匀速转向）。
- 三个浮点数：
6.2.3. 磁力计数据
- 单位：
µT或Gauss - 数据说明：
- 三个浮点数：
(mag_x, mag_y, mag_z) - 表示传感器本体坐标系三个轴上感受到的地磁场强度分量。
- 这是一个矢量，其方向大致指向地磁北极（需考虑当地磁偏角修正）。
- 注意：原始数据极易受硬铁和软铁干扰，通常需要经过校准和校正后才能用于航向解算。
- 三个浮点数：
6.3. 融合数据（应用层）
融合数据是应用层数据，这是通过算法（如卡尔曼滤波、互补滤波）对上述原始数据进行融合处理后得到的结果，是大多数应用直接使用的数据。
6.3.1. 欧拉角
这是最直观、最常用的姿态表示方式。用三个角描述从“东北天”地理坐标系到传感器本体坐标系的旋转。
- 横滚角：绕X轴旋转的角度。机翼左右倾斜。
- 俯仰角：绕Y轴旋转的角度。机头上下抬升。
- 偏航角：绕Z轴旋转的角度。水平面内转向。
- 优点：直观，易于理解。
- 缺点：存在万向节死锁问题，不适合全姿态计算。
6.3.2. 四元数
一种数学上更优的姿态表示法，用于避免欧拉角的死锁问题，也是现代算法内部计算最常用的形式。
- 数据：一个标量
w和一个三维矢量(x, y, z)，共4个浮点数：(q_w, q_x, q_y, q_z)。 - 特点：描述一次旋转，而非三个顺序旋转。计算高效，无奇异性。
- 使用：可以直接用于3D图形旋转插值，也可转换为欧拉角供人阅读。
6.3.3. 旋转矩阵
一个3x3的正交矩阵，用于将一个坐标系中的矢量转换到另一个坐标系。
- 数据：9个浮点数。
- 特点：最完备的数学描述，可直接用于坐标变换，但数据冗余，不便于插值和存储。
6.4. 数据举例
6.4.1. 典型输出帧（来自某个IMU模块）
1 | ACC: 0.12, 0.01, 9.81 (m/s²) // 近似静止水平，Z轴有重力 |
