Khác với GPS và cảm biến hình ảnh, IMU hoạt động hoàn toàn độc lập. Nó không cần tín hiệu bên ngoài, camera hoặc hỗ trợ vệ tinh. Nó có thể liên tục cảm nhận chuyển động và tư thế của bất kỳ vật thể nào trong không gian bằng đơn vị cảm biến bên trong của nó. Từ các chip nhỏ trong điện thoại thông minh đến các hệ thống dẫn đường có độ chính xác cao cho tàu thuyền và máy bay, IMU là "mắt cảm nhận bên trong" cốt lõi của tất cả các thiết bị di chuyển.
Nói một cách đơn giản, IMU là sự kết hợp tích hợp của nhiều cảm biến, chủ yếu bao gồm con quay hồi chuyển 3 trục và gia tốc kế 3 trục. Một số phiên bản nâng cấp còn bổ sung thêm từ kế 3 trục và khí áp kế. Con quay hồi chuyển cảm nhận tốc độ quay, giống như cách bạn có thể cảm nhận khi quay trên ghế với đôi mắt nhắm lại. Gia tốc kế cảm nhận gia tốc và giảm tốc, giống như cách cơ thể bạn cảm nhận khi tăng tốc hoặc phanh trong ô tô. Kết hợp lại, chúng ghi lại mọi thay đổi chuyển động của thiết bị trong thời gian thực.
Điều quan trọng cần hiểu là IMU chỉ xuất dữ liệu chuyển động thô, bao gồm vận tốc góc và gia tốc. Nó không trực tiếp hiển thị tốc độ, vị trí hoặc tư thế. Các kết quả dẫn đường có thể sử dụng được này được tính toán sau đó thông qua các thuật toán chuyên nghiệp.
2. Sự khác biệt giữa IMU và INS
Nhiều người dễ nhầm lẫn IMU và INS. Sự khác biệt rất đơn giản và rõ ràng. IMU chỉ là một đơn vị cảm biến thuần túy cung cấp dữ liệu chuyển động gốc. INS (Hệ thống dẫn đường quán tính) là một hệ thống thông minh hoàn chỉnh được xây dựng dựa trên IMU. INS bổ sung bộ xử lý, thuật toán hợp nhất dữ liệu và các mô-đun định vị vệ tinh GNSS tùy chọn. Nó có thể tự động tính toán tư thế, tốc độ và vị trí thời gian thực để hỗ trợ công việc dẫn đường thực tế.
Chúng ta có thể sử dụng một phép loại suy đơn giản: IMU giống như một nhiệt kế chỉ cung cấp dữ liệu nhiệt độ thô. INS giống như một hệ thống dự báo thời tiết hoàn chỉnh phân tích và xử lý dữ liệu để đưa ra kết quả có thể sử dụng được. Nói tóm lại, IMU là nền tảng phần cứng cốt lõi, và INS là giải pháp dẫn đường hoàn chỉnh.
3. Khuyết điểm của IMU và các phương pháp hiệu chuẩn phổ biến
IMU rất mạnh mẽ, nhưng nó không hoàn hảo. Nó không tránh khỏi những sai sót nhỏ do sản xuất và lắp đặt. Những khuyết điểm nhỏ này sẽ gây ra sự trôi dạt chậm trong quá trình sử dụng lâu dài, do đó cần phải hiệu chuẩn và bù trừ thường xuyên.
Đầu tiên, do dung sai sản xuất, ba trục cảm biến không thể vuông góc hoàn hảo, gây ra nhiễu xuyên trục. Thứ hai, cảm biến có thể có sai số độ lệch bằng 0 và sai số hệ số tỷ lệ nhỏ, tương tự như một chiếc cân chưa hiệu chuẩn không thể trở về 0 chính xác. Thứ ba, vị trí lắp đặt thực tế của các cảm biến bên trong không hoàn toàn tập trung tại tâm, điều này sẽ tạo ra sai số chiều dài cánh tay nhỏ trong quá trình quay.
Những vấn đề này là phổ biến đối với tất cả các sản phẩm IMU. Các kỹ sư giải quyết những vấn đề này thông qua hiệu chuẩn tĩnh chuyên nghiệp, hiệu chuẩn lật và kiểm tra bàn xoay trước khi giao hàng. Bằng cách thiết lập các mô hình lỗi và bù trừ phần mềm thời gian thực, độ ổn định và độ chính xác của IMU có thể được cải thiện đáng kể.
4. Hai loại IMU chính và ứng dụng
4.1 IMU MEMS
IMU MEMS áp dụng công nghệ chip vi cơ điện tử, đạt được kích thước siêu nhỏ, chi phí thấp và tiêu thụ điện năng cực thấp. Đây là loại IMU dân dụng được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được nhúng trong điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, máy bay không người lái và robot công nghiệp để hoàn thành việc cảm nhận tư thế hàng ngày và tương tác chuyển động. Mặc dù IMU MEMS có giá cả phải chăng và dễ tích hợp, nhưng độ chính xác của nó bị hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và rung động, phù hợp với các tình huống thời gian ngắn và độ chính xác thấp.
4.2 IMU FOG
IMU FOG sử dụng con quay hồi chuyển sợi quang làm cảm biến cốt lõi. Dựa trên hiệu ứng quang Sagnac, nó đạt được phép đo quay có độ chính xác cao mà không có bất kỳ bộ phận cơ khí chuyển động nào. So với IMU MEMS, độ chính xác của nó cao hơn hàng trăm đến hàng nghìn lần, với độ trôi cực thấp, khả năng chống sốc mạnh và hiệu suất nhiệt độ ổn định.
IMU FOG chủ yếu được sử dụng cho các tình huống dẫn đường tự động cao cấp, đặc biệt là cho các thiết bị hoạt động trong thời gian dài mà không có tín hiệu GPS. Môi trường dưới nước không thể nhận tín hiệu vệ tinh, và dẫn đường bằng âm thanh và hình ảnh dễ bị nhiễu. IMU FOG có thể cung cấp dữ liệu tư thế và chuyển động liên tục và ổn định cho tàu ngầm, máy dò biển sâu và robot dưới nước, hỗ trợ dẫn đường độc lập có độ chính xác cao và thời gian hoạt động dài.
5. Tóm tắt
IMU là cốt lõi cơ bản của công nghệ cảm biến quán tính. IMU MEMS mang lại nhận thức quán tính vào điện tử tiêu dùng hàng ngày với khả năng thu nhỏ và chi phí thấp. IMU FOG hỗ trợ dẫn đường công nghiệp, hàng hải và hàng không vũ trụ cao cấp với độ chính xác cực cao và độ ổn định mạnh mẽ. Không dựa vào bất kỳ tín hiệu bên ngoài nào, IMU nắm bắt mọi chuyển động tinh tế của vật mang thông qua cảm nhận quán tính thuần túy, trở thành "mỏ neo định hướng" đáng tin cậy cho các thiết bị trên đất liền, trên biển, trên không và trong không gian.
