AHRS（航姿参考系统）IMU（惯性测量单元）和INS的分析对比研究-2023-3-8

名称

AHRS俗称航姿参考系统

IMU 惯性测量单元

INS 惯性导航系统

英文

全称

（Attitude and Heading Reference System）

（Inertial Measurement Unit）

Inertial Navigation System）

组成

加速度计，磁场计，陀螺仪构成

一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺

imu+导航解算算法

功能

能够为飞行器提供航向(yaw)，横滚(roll)和侧翻(pitch)信息，这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。

陀螺仪输出角速度，是瞬时量，角速度在姿态平衡上是不能直接使用，需要角速度与时间积分计算角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度，其中积分时间Dt越小，输出角度越精确,但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上Dt是不可能无限小,所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。

利用IMU数据进行航迹推算，提供位置、速度、姿态信息。由于惯性导航系统推算误差随时间累积，因此通常和其他导航系统进行组合，如卫星导航系统、轮速计、气压计等，内部通常采用卡尔曼滤波算法。

原理

AHRS的真正参考来自于地球的重力场和地球的磁场，其静态终精度取决于对磁场的测量精度和对重力的测量精度，而则陀螺决定了他的动态性能。

加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

惯性导航系统是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。

使用

范围

AHRS离开了地球这种有重力和磁场环境的时候是没法正常工作的，而且特别注意：磁场和重力场越正交，则航姿测量效果越好---也就是说如果磁场和重力场平行了，比如在地磁南北极，这里的磁场是向下的，即和重量场方向相同了，这个时候航线交是没法测出的，这是航姿系统的缺陷所在，在高纬度的地方航线角误差会越来越大。

在导航中用着很重要的应用价值。为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。

不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。

传感

器器

件架

构

传感器通常是成本低廉的mems传感器

这种传感器的陀螺仪和加速度计的噪声相对来说很大，以平面陀螺为例用ADI的陀螺仪进行积分一分钟会漂移2度左右，这种前提下如果没有磁场和重力场来修正三轴陀螺的话，那么基本上3分钟以后物体的实际姿态和测量输出姿态就完全变样了。所以在这种低价陀螺仪和加速度计的架构下必须运用场向量来进行修正。

IMU的陀螺仪用的是光纤陀螺或者机械陀螺。这种陀螺的成本很高，精度相对MEMS陀螺也很高。精度高不代表准确，IMU的姿态精度参数通常是一小时飘多少度，比如xbow的低端的有一小时3度的。。而用加速度计积分做位置的话，AHRS是不现实的（1分钟就能飘出几十米。而且是成二次方的速度递增）AHRS通常要结合GPS和气压计做位置 。