AHRS（航姿參考系統）和IMU（慣性測量單元）的區別

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無人機的姿態解算一般有兩種演算法，一種是IMU，另一種是被各種無人機廣泛使用的AHRS，比如眾所周知的APM，pixhawk，DJI的naza，還有匿名的開源飛控等等，他們之間有什麼區別和聯繫呢？讓我們一起來看一下。

AHRS（Attitude and Heading Reference System）俗稱航姿參考系統，AHRS由加速度計，磁場計，陀螺儀構成，能夠為飛行器提供航向(yaw)，橫滾(roll)和側翻(pitch)信息，這類系統用來為飛行器提供準確可靠的姿態與航行信息。AHRS的真正參考來自於地球的重力場和地球的磁場，其靜態終精度取決於對磁場的測量精度和對重力的測量精度，而則陀螺決定了他的動態性能。說明AHRS離開了地球這種有重力和磁場環境的時候是沒法正常工作的，而且特別注意：磁場和重力場越正交，則航姿測量效果越好---也就是說如果磁場和重力場平行了，比如在地磁南北極，這裡的磁場是向下的，即和重量場方向相同了，這個時候航線交是沒法測出的，這是航姿系統的缺陷所在，在高緯度的地方航線角誤差會越來越大。

IMU（Inertial Measurement Unit）學名慣性測量單元，大學的理論力學告訴我們，所有的運動都可以分解為一個直線運動和一個旋轉運動，故這個慣性測量單元就是測量這兩種運動，直線運動通過加速度計可以測量，旋轉運動則通過陀螺。一般的，一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對於導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，並以此解算出物體的姿態。在導航中用著很重要的應用價值。為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的感測器。一般而言IMU要安裝在被測物體的重心上。

IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上。也被用在需要用姿態進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。

假設IMU的陀螺和加速度計的測量是沒有任何誤差的，那麼通過陀螺則可以精確的測量物體的姿態。通過加速度計可以二次積分得出位移，實現完整的6DOF,也就是說帶著一台這種理論型的IMU在宇宙任何位置運動，我們都可以知道他當前的姿態和相對位移，這將不局限於任何場。

從上面的描述何以看出。實際上AHRS比IMU還多一個磁場感測器，而為什麼AHRS的級別卻低於IMU而需要依賴於重力場和磁場呢！這是由感測器器件架構所決定的。AHRS的感測器通常是成本低廉的mems感測器。這種感測器的陀螺儀和加速度計的雜訊相對來說很大，以平面陀螺為例用ADI的陀螺儀進行積分一分鐘會漂移2度左右，這種前提下如果沒有磁場和重力場來修正三軸陀螺的話，那麼基本上3分鐘以後物體的實際姿態和測量輸出姿態就完全變樣了。所以在這種低價陀螺儀和加速度計的架構下必須運用場向量來進行修正。

而IMU實際上也是這樣的。因為我們知道沒有絕對精確的感測器，只有相對精確的感測器，IMU的陀螺儀用的是光纖陀螺或者機械陀螺。這種陀螺的成本很高，精度相對MEMS陀螺也很高。精度高不代表準確，IMU的姿態精度參數通常是一小時飄多少度，比如xbow的低端的有一小時3度的。。而用加速度計積分做位置的話，AHRS是不現實的（1分鐘就能飄出幾十米。而且是成二次方的速度遞增）。AHRS通常要結合GPS和氣壓計做位置。

利用三軸地磁解耦和三軸加速度計，受外力加速度影響很大，在運動/振動等環境中，輸出方向角誤差較大,此外地磁感測器有缺點，它的絕對參照物是地磁場的磁力線,地磁的特點是使用範圍大，但強度較低，約零點幾高斯，非常容易受到其它磁體的干擾，如果融合了Z軸陀螺儀的瞬時角度，就可以使系統數據更加穩定。加速度測量的是重力方向，在無外力加速度的情況下，能準確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態角度並且此角度不會有累積誤差，在更長的時間尺度內都是準確的。但是加速度感測器測角度的缺點是加速度感測器實際上是用MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質是一樣的,所以加速度計就不會區分重力加速度與外力加速度，當系統在三維空間做變速運動時，它的輸出就不正確了。

陀螺儀輸出角速度，是瞬時量，角速度在姿態平衡上是不能直接使用，需要角速度與時間積分計算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標角度，其中積分時間Dt越小，輸出角度越精確,但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身，並沒有系統外的絕對參照物，加上Dt是不可能無限小,所以積分的累積誤差會隨著時間流逝迅速增加，最終導致輸出角度與實際不符，所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間尺度內。

所以在沒有其它參照物的基礎上，要得到較為真實的姿態角，就要利用加權演算法揚長避短，結合兩者的優點，擯棄其各自缺點,設計演算法在短時間尺度內增加陀螺儀的權值，在更長時間尺度內增加加速度權值，這樣系統輸出角度就接近真實值了。

本文章內容轉載自：AHRS（航姿參考系統）和IMU（慣性測量單元）的區別_shao420984_新浪博客