IMU 是惯性测量单元的缩写。传感器（包括陀螺仪和加速度计）可测量物体在三维空间中的角位置和位移。
INS 是惯性导航系统的缩写。它包括 IMU 传感器及其陀螺仪和加速度计，以及用于接收来自太空 GNSS 卫星绝对位置数据的传感器。它还可以配备用于测量三维空间中的磁场的磁力计。
INS 增加了高级数据处理，包括卡尔曼滤波和其他处理。参考已知的起始位置，它使用 IMU 的输出来确定对象的实时位置和矢量。这个“物体”可以是汽车、潜艇、飞机或任何在三维空间中运行的机器。
如今，几乎每辆汽车、飞机、轮船和智能手机都配备了某种导航系统。您的位置可以使用来自太空中 GPS/GNSS 卫星的三边测量位置数据显示在地图上，或者如果是您的智能手机，则可以使用位于已知固定位置的手机信号塔的三边测量位置。
但如果我们无法使用卫星或手机信号塔怎么办？例如，潜艇如何导航？一旦潜艇潜入水中并远离已知起点，它就无法访问卫星或任何其他外部位置数据源。
水下没有“GPS”！那么潜艇艇员如何知道自己所在的位置呢？他们如何准确地知道自己的移动速度以及在三维海底世界中的确切位置、方向、航向和方位？ INS 系统就是答案。
举一个不太引人注目的例子，在隧道或 GPS/GNSS 卫星系统或手机信号塔的其他障碍物中行驶的机动车辆怎么办？他们如何跟踪自己的位置和矢量？
惯性导航系统
这就是 INS（惯性导航系统）发挥作用的地方。 INS 使用一系列极其精确的加速度计、陀螺仪和磁力计以及先进的处理技术来计算物体相对于已知起点、速度和方向的位置。一旦潜艇的惯性导航系统校准到已知的参考点，它就可以从该点开始非常准确地“航位推算”。
使用“航位推算”的系统使用已知的起始位置，然后将 IMU/INS 数据添加到该位置，以推断出物体的当前位置和矢量。 INS 并不是完美的，因此系统航位推算的时间越长，误差就会累积。
就潜艇而言，它们通常位于水下很深的位置，无法部署漂浮到水面并连接到太空中的 GPS 和其他 GNSS 系统的天线。因此，当他们无法连接到 GPS/GNSS 时，他们会使用 INS 系统来“航位推算”他们的位置。现代军用潜艇配备了极其精确、低漂移的 INS 模块。
当卫星和其他外部参考再次可用时，系统将重新校准，消除航位推算期间积累的任何错误。 INS 还被商用和军用飞机、航天器、导弹、无人机和机器人使用，甚至集成到许多手机和视频游戏控制器中。
惯性导航可用作“后备系统”，在 GPS/GNSS 导航不可用时进行航位推算。但就潜艇和航天器而言，它们是主要的导航方法。飞机和其他车辆通常将 INS 与 GPS/GNSS 和其他绝对位置参考紧密结合使用。
每个 INS 内部都有最重要的 IMU。 IMU 是一个传感器套件，包含至少三个正交陀螺仪和三个正交加速度计。它们有时还配备三个磁力计来测量磁偶极矩，又称磁场。 IMU 用于测量物体：
• 角速率 - 物体绕其轴旋转的速率
• 比力 ——绝对加速度与重力加速度之差
• 方向 - 物体在三维空间中的位置。
基本上，三个主轴（X、Y 和 Z - 也称为横滚轴、俯仰轴和偏航轴）中的每一个都至少配备一个加速计、一个陀螺仪和（通常）一个磁力计。
飞机的三个主轴
单个惯性传感器只能沿单个轴进行测量。但我们在三维空间中移动，因此我们将三个惯性传感器安装在一个正交的集群中。
由三个加速度计和三个陀螺仪组成的惯性系统称为六轴系统（沿三个轴进行两次测量总共六次测量）。当我们想要感测磁场以用于导航时，我们沿每个轴添加一个磁力计，总共有九个传感器。
典型的 IMU 测量与其连接的物体的原始角速度。它还测量比力/加速度和磁场。
当我们添加先进的信号处理和数据滤波（例如卡尔曼滤波）时，我们的 IMU 将成为称为 INS 或惯性导航系统的更大系统的一部分。当用于导航时，我们也可以将 INS 称为 AHRS，即姿态和航向参考系统。
IMU（惯性测量单元）本质上是 INS（惯性导航系统）的传感器子系统。 INS 获取 IMU 的原始输出，对其进行处理，并计算物体相对运动的变化。 INS 将这些变化参考已知的起点、速度和方向，提供实时位置和矢量输出。
IMU 可以完全集成到 INS 中，也可以是连接到外部 INS 或类似系统的独立硬件。
• 姿态 - 以物体重心为中心的俯仰、滚动和偏航
• 三维空间中的位置、位置速度和方向
• 线速度 - 由大小和方向组成的矢量
• 角速率 - 物体绕其轴旋转的速率
要连接到太空中的卫星，需要传感器。 “GPS”或 GNSS 传感器通常是一个密封的圆顶状结构，内部有天线。它必须位于天空视线范围内，以便接收来自太空中各个 GNSS 星座的数据。
惯性传感器的诞生早于半导体。经典机械陀螺仪是由可自由呈现任何方向的旋转转子组成的机械结构。
由于角动量守恒，转子的方向不受外框架或内万向架任何部分的倾斜或旋转的影响。
经典机械陀螺仪，在移动万向节和外框架内具有稳定的转子
如今，机械陀螺仪仍然大量用于需要最高精度和长期稳定性的应用中。例如，它们仍然是潜艇的首选传感器。一艘大型潜艇有足够的空间容纳这种大型机械结构，而且它的重量也不用太担心。 但从 20 世纪 60 年代开始，新技术的发展使得更小、更轻的固态设备能够充当非常精确的陀螺仪。这些包括：
• RLG - 环形激光陀螺仪
• FOG - 光纤陀螺仪
• 石英/MEMS 陀螺仪
环形激光陀螺仪的工作原理是萨尼亚克效应。单个激光被分成两束光束，这两束光束在环中以相反的方向移动。传感器测量结构沿单轴运动引起的干涉图案。
RLG 通常充满氦氖气。电极激发沿相反方向传播的光波。环形激光陀螺仪的发明被广泛认为是 20 世纪 60 年代霍尼韦尔航空航天工程师的发明。
FOG 陀螺仪与 RLG 陀螺仪类似，利用萨尼亚克效应来检测运动。激光束被注入单根光纤电缆中，但它们以相反的方向传播。沿框架旋转方向移动的光束比其他光束到达的速度要快一些。干涉测量法用于测量该相移并计算移动量。
MEMS 代表“微机电系统”。这些是小型传感器和设备，可以使用许多与半导体制造相同的方法来制造。因此，可以制造一个足够小且便宜的陀螺仪，以安装在智能手机、视频游戏控制器和数千台机器中。
石英晶体对运动做出反应，充当科里奥利传感器。石英传感器与音叉谐振器相结合，产生可由板载微电子设备处理的输出。尽管 MEMS 陀螺仪尺寸小且成本相对较低，但其精度足以满足广泛的应用。
根据精度和漂移性能，陀螺仪可大致分为四类：
• 消费者 - 智能手机、游戏机和其他消费产品；
• 工业 ——UAV（无人驾驶飞行器），包括无人机；制造工艺和环境；
• 智能武器 -及相关军事装备；
• 导航 - 飞机、航天器、潜艇、汽车、农用和建筑车辆、陆基军用车辆。
以下概述了各种陀螺仪技术如何适应这些应用。 RLG、FOG 和石英/MEMS 陀螺仪的应用范围非常广泛。 RLG 和 FOG 在某些（但不是全部）应用中取代了机械陀螺仪。机械陀螺仪仍然提供最佳的长期稳定性，因此是潜艇和某些飞机中关键航位推算应用的首选。
| / | 机械的 | FOG | RLG | 石英/MEMS |
| 应用领域 | 潜艇、宇宙飞船、飞机 | 智能武器、许多汽车和商业以及军事航空航天和导航应用 | 智能武器、许多汽车和商业以及军事航空航天和导航应用 | 消费级、工业级、战术级市场 |
| 优点 | 最佳的长期稳定性 | 小型、固态、坚固且比机械陀螺仪便宜 | 小型、固态、坚固且比机械陀螺仪便宜 | 与 RLG 和 FOG 相同，但更小、更便宜 |
| 缺点 | 成本高，结构相对较大/较重 | 它们缺乏机械陀螺仪的超长期稳定性 | 它们缺乏机械陀螺仪的超长期稳定性 | 它们缺乏机械陀螺仪的超长期稳定性 |
加速度计是测量速度随时间变化的传感器。创建这些传感器需要采用多种关键技术。它们本质上是由弹簧悬挂的“证明”质量。弹簧的纵向方向称为“灵敏度轴”。
G-Link-200-8G 无线三轴加速度传感器
当传感器沿该轴受到速度变化时，检测质量将移动，压缩弹簧。这种压缩量与加速度成正比，因此我们可以测量并输出该值。加速度的单位是 g（又名“G 力”），也称为米每平方秒。
每个人都知道老式指南针：磁化针可以自由指向位于北极附近的地球磁北。从最基本的意义上来说，指南针是一个磁力计。然而，对于我们的 IMU 和 INS 系统，我们需要更详细地测量磁场。
经典罗盘
磁力计可以基于多种技术，包括霍尔效应、磁二极管、洛伦兹力 MEMS、磁通门等等。基于 MEMS 的磁力计传感器如今特别受欢迎，因为它们可以制造得非常小、精确且便宜。在当今的许多 IMU、INS 和 AHRS 系统中，磁力计提供三维航向参考。
卡尔曼滤波是一种本质上将传感器数据与预测数据融合的算法。这是一个两阶段实时线性二次方程，其中第一阶段预测并加权各种输入的准确性，第二阶段对输入应用加权平均值。这种递归过程提高了 GPS/GNSS 系统导航输出的精度，并且是惯性导航精度不可或缺的一部分。
INS 系统广泛用于各种应用。几乎所有这些都以导航为中心，包括：
• 道路车辆导航 - 汽车、卡车、公共汽车、摩托车
• 空中导航 - 商用和军用飞机
• 越野导航 -军车、农用车、拖拉机、农用车等
• 太空导航 - 航天器和卫星
• 水下和水面船舶导航 - 船只、船舶和潜艇
• 采矿和钻探隧道 - 计算地下距离和方向
• 武器制导 ——导弹和其他制导弹药
• 道路车辆测试 -自动驾驶车辆的ADAS（高级驾驶辅助系统）测试、测试跑道测试
希望本文能够帮助您了解 IMU 和 INS 系统是什么以及它们如何工作。您已经看到它们对于广泛的应用程序有多么重要。没有它们，潜艇和航天器就无法航行，陆地车辆和飞机也将陷入困境。
使用 GPS/GNSS 和相关技术来测试当今汽车的高级驾驶辅助功能几乎是不可能的。随着机器、各种车辆、无人机和机器人越来越成为现代世界的一部分，对 GNSS 和导航系统的需求只会增加。
• 3DMCX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DMGX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DMCV7-INS 战术级嵌入式惯性导航系统
• 3DMGV7-INS 战术级加固惯性导航系统
• 3DMGX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 导航传感器
