3.1.1 九轴惯性测量单元
1）惯性测量单元。
惯性测量单元（inertial measurement unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。IMU 大多用在需要进行运动控制的设备上，如汽车和机器人；也被用在需要用姿态进行精密位移推算的设备，如潜艇、飞机、导弹（见图3.1）和航天器的惯性导航设备等。
图3.1 导弹上的惯性测量元件MEMS三轴加速度计
2）技术背景。
传统的MEMS惯性传感设备的成本非常低，体积极小，质量很轻，输出稳定且不易受到干扰，对外部环境条件的适应性极强，而且现在几乎随处都能买到。应用于旋翼无人机控制的九轴惯性测量传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速传感器、三轴磁感应传感器。三轴陀螺仪最大的作用就是测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器。加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，其本质上是一个振荡系统，可以用来测量载体的运动加速度。磁力仪中的磁力计采用垂直的结构，每个磁力计轴上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。
3）惯性测量装置IMU 的工作原理。
三轴加速度计是一个微机电系统（MEMS）元件，如图3.2所示。MEMS三轴加速度计是采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度（压力或者位移）分别正比于电阻、电压和电容的变化。这些变化可以进行放大处理之后通过滤波电路进行采集。该传感器的缺点是受振动影响较大。
由于大多数MEMS传感器是以半导体材料作为基础加工的，而半导体对温度很敏感，再加上安装、电路设计等影响因素，零点漂移和温度漂移不可避免，但可以通过滤波算法得到更准确的数值。基于MEMS技术的三轴加速传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件可创建方位推算系统，对定位系统实现互补性应用。
图3.2 MEMS加速度测量原理
陀螺仪的英文名为gyroscope，是一种用来传感和维持方向的装置设备。陀螺仪是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪可分为单轴陀螺仪和三轴陀螺仪两种。单轴陀螺仪只能测量一个方向，系统测试三维空间就需要三个。而三轴陀螺仪就可以同时测量6个方向。三轴陀螺仪多用于航海、航天等导航、定位系统，它能够精确地确定运动物体的方位，其物理模型如图3.3（a）所示。MEMS陀螺原理如图3.3（c）所示，两个质量块运动速度方向相反，而大小相同。它们产生的科里奥利力相反，从而压迫两块对应的电容板移动，产生电容差分变化。电容的变化正比于旋转角速度。因为加速度变化只能导致两个质量块朝相同方向移动，不会带来电容的差分变化。三轴陀螺仪在实际生产和安装过程中，总会出现一些偏差。因此，实际应用时需要建立标定前和标定后的三轴角速度的关系。
图3.3（b）所示为三个互相垂直的磁力计，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR（anisotropic magneto-resistance，各向异性磁致电阻，见图3.4）自身电阻值发生变化。另外还可以采用洛伦兹力原理，电流流过磁场产生力，从而驱动电容等变化。
图3.3 陀螺仪及MEMS原理
图3.4 磁致电阻
当有外界磁场Hα 时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化，如图3.5所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系，如图3.5所示。
图3.5 磁致电阻作用原理
三轴电子罗盘在实际生产和安装过程中，总会出现一些偏差，不仅如此，周边的原件（飞控芯片、供电电路、电机）也会对其产生影响。要想减小误差也需要相应的模型分析和校正方法。