2. 传感器基础
六轴IMU的核心是两类MEMS惯性传感器：三轴加速度计与三轴陀螺仪。加速度计测量比力（包含重力分量），陀螺仪测量角速度。姿态解算的本质，是把这两类互补的信号融合起来：加速度计在静态下能提供绝对姿态参考，但动态下受线加速度干扰；陀螺仪动态响应好、短时精度高，但积分会漂移。理解它们的工作原理与误差特性，是后续标定、滤波与姿态融合的前提。
一、工作原理：从微机械结构到电信号
MEMS加速度计通常采用梳齿式电容结构。质量块通过弹性梁悬置在硅基底上，当存在加速度时，质量块因惯性产生位移，差分电容极板间距变化，电容差经调制解调后转换为电压，再经ADC得到数字量。其输出与比力成正比，静止水平放置时Z轴输出约为1g，这是判断安装方向与零偏的重要依据。
MEMS陀螺仪多采用音叉式或环形谐振结构，利用科里奥利效应：驱动模态让质量块持续振动，当传感器绕敏感轴旋转时，科里奥利力使质量块在检测模态产生位移，该位移幅度与角速度成正比，通过电容检测解调后输出角速度。陀螺仪输出的是角速度，必须对角速度积分才能得到角度，因此零偏和噪声会随时间累积成角度漂移。
二、关键参数：读懂数据手册
选型与调试时，以下参数决定IMU能否满足姿态测量需求：
- 量程（Range）：加速度计常见±2g/±4g/±8g/±16g，陀螺仪常见±250°/s到±2000°/s。量程越大，分辨率越低，应覆盖实际最大动态并留20%余量。
- 灵敏度（Sensitivity）：LSB/(°/s)或LSB/g，决定单位数字量对应的物理量，与量程成反比。
- 零偏（Bias/Zero Offset）：零输入时的输出，陀螺零偏直接导致角度漂移，是标定重点。
- 噪声密度：陀螺常用°/s/√Hz，加速度计常用μg/√Hz，决定积分漂移和姿态抖动下限。
- 非线性与交叉轴灵敏度：影响大动态下的比例误差和轴间耦合。
- 带宽与输出数据率（ODR）：决定能跟踪多快的运动，也影响滤波设计。
| 参数 | 典型含义 | 对姿态测量的影响 | 选型建议 |
|---|---|---|---|
| 量程 | 可测最大比力/角速度 | 超量程会削顶失真 | 覆盖最大动态并留余量 |
| 零偏 | 零输入输出偏差 | 陀螺零偏积分成角度漂移 | 优先选零偏小且温漂低 |
| 噪声密度 | 单位带宽噪声 | 决定姿态抖动与漂移下限 | 高精度场景选低噪声 |
| 带宽/ODR | 有效响应频率 | 不足会丢失快速运动 | 大于目标运动带宽2倍以上 |
| 交叉轴 | 轴间耦合误差 | 引入非正交误差 | 高精度需标定补偿 |
三、误差来源：从确定性到随机性
IMU误差可分为确定性误差与随机误差。确定性误差包括零偏、标度因数误差、非正交与安装误差，可通过转台标定建立误差模型并补偿。随机误差包括角度随机游走、速率随机游走、零偏不稳定性等，通常用Allan方差分析辨识，并用卡尔曼滤波抑制。
温度是最大外扰：MEMS零偏和灵敏度随温度漂移，若不做温补，长时间姿态会缓慢偏转。此外，振动与冲击会激励结构谐振，带来整流误差；安装应力、PCB弯曲也会改变零偏。实际工程中，标定+温补+滤波三者缺一不可。
四、选型要点与场景案例
选型应从应用需求反推：姿态测量精度、动态范围、更新率、成本与体积。消费级无人机可选低噪声、±2000°/s量程的六轴IMU；工业机器人关节姿态更关注零偏稳定性和温漂；车载组合导航则要求低噪声、高ODR并支持外部同步。
选型检查清单（示例）
1. 最大角速度：____ °/s，最大加速度：____ g
2. 目标姿态精度：静态 ____ °，动态 ____ °
3. 陀螺零偏：____ °/s，噪声密度：____ °/s/√Hz
4. 加速度计噪声：____ μg/√Hz，零偏：____ mg
5. ODR：____ Hz，带宽：____ Hz
6. 接口：SPI/I2C，是否支持外部时钟同步
7. 工作温度：____ ℃，是否需温补
8. 封装与安装：是否需减振、对齐标记以一个平衡车场景为例：车体倾斜角需在±30°内保持0.5°精度，电机振动明显。选型时应优先低噪声陀螺与加速度计，ODR不低于1kHz，并加装减振垫；软件上先用加速度计静态校准零偏，再以互补滤波或卡尔曼滤波融合，陀螺零偏通过静止时在线估计持续修正。若忽略温漂，夏季长时间运行会出现明显角度偏移，这正是选型与标定要共同解决的问题。