IBM推出IMU，对标GPS

现代导航因基于卫星的全球定位系统（GPS）技术而彻底改变，但它并非随时随地可用。GPS 依赖于来自太空的信号，因此很容易受到任何干扰导航的因素的影响——无论是高楼大厦、深海还是电子干扰。

为了应对这一挑战， IBM 旗下的HRL 实验室开发了一种新型惯性测量单元(IMU)，它采用先进的算法，为 GPS 提供了一种不间断的替代方案。

“我们现在过度依赖GPS已经成为一个问题，”领导HRL惯性测量单元（IMU）研发团队的David Chang说道，“惯性传感器可以帮助我们应对无法依赖GPS的情况。”

IMU导航方法的核心是一个完全独立的装置，它可以精确测量车辆在三维空间中的运动。如果您知道起点，并且根据速度、方向和经过的时间知道行驶的确切路径，那么就可以计算出当前坐标。这种方法复兴了一种GPS出现之前的导航技术，称为“航位推算”，一些船舶，例如潜艇，至今仍然使用这种方法来确定航向。

虽然潜艇的高性能惯性测量单元（IMU）体积可能与宿舍冰箱相仿，但HRL的IMU采用微机电系统（MEMS）制造的惯性传感器，体积仅与汤罐头相仿。这种小巧的尺寸使其用途广泛，足以部署在无人机等轻型飞行器上。

MEMS惯性传感器使用微型化的加速度计和陀螺仪，蚀刻在处理器大小的硅芯片上，以跟踪速度和运动角度的变化。

加速度计利用悬挂重物对运动变化的阻力（即惯性）来计算其与设备其他部分之间的速度差。想象一下，在车里拿着一杯水。如果车辆突然停止，水会继续向前运动，最终溅出杯子。MEMS加速度计中的悬挂重物也会类似地随着车辆加速或减速而发生滞后，从而触发周围传感器发出与所施加的加速度相对应的信号。

MEMS陀螺仪也基于惯性测量运动，但它测量的是旋转。MEMS传感器包含一个来回振动的质量块。当陀螺仪旋转时，质量块的惯性会导致其在垂直于振动方向的方向上发生位移。围绕质量块的传感器会捕捉到这种横向运动，并计算出引起该运动的角速度。

为了避免不必要的跨轴灵敏度，该团队设计了一种高性能MEMS惯性传感器，用于测量一维变化。为此，他们的IMU包含三个相同的MEMS传感器，并按照描述物理世界的三轴坐标系进行排列。

MEMS 加速度计和陀螺仪的各种版本被广泛应用于许多消费电子设备中——健身追踪器正是利用这些技术来判断你一夜睡眠是否不安稳，手机翻转时也知道如何自动旋转屏幕——但 HRL 的 MEMS 惯性传感器经过精心设计，精度更高，导航精度接近 GPS。

解决偏差漂移问题对于真正的GPS替代方案至关重要。

长期以来，一种被称为“偏置漂移”的现象限制了基于MEMS的惯性测量单元（IMU）在导航领域的应用。偏置漂移是指振动和热源等噪声干扰传感器，产生错误的惯性信号——换句话说，偏置信号是指传感器在静止状态下产生的信号。典型的基于MEMS的IMU使用时间越长，偏置漂移累积得越多，导致其导航能力在几分钟内便会下降。

但现在，HRL 研究人员显然已经解决了偏差漂移问题。

“这些MEMS传感器的终极目标是解决漂移问题。你需要找到校准的方法，”张教授说。“我认为我们终于攻克了这个难题。”

该团队的解决方案是 AutoCal，这是一种自动自校准系统，能够持续测量偏差并校正其漂移。该系统的工作原理是定期对每个传感器进行两次反向同步测量，从而捕获幅值相等但符号相反的惯性信号。由于偏差是两次测量中包含的同一个无方向性量，因此可以通过算术方法分离出偏差，同时保留用于导航的真实核心信号。之后，偏差将从后续测量中消除，直到下一次校准。

持续纠正漂移意味着这些 IMU 可以无限期地用于支持导航，从而消除了达到 GPS 精度的一大障碍。

除了解决偏差漂移问题外，研究人员还希望制造出足够小巧、价格低廉的高性能惯性测量单元，以便广泛部署。

节省空间的一种方法是使用专用集成电路 (ASIC) 来定制电子元件，从而减少使用现成元件所占的体积。此外，还开发了先进的封装技术，以最大限度地减少元件之间的闲置空间。这涉及到微机电系统 (MEMS) 器件的组装方式和信号连接的设计等诸多考量。所有这些改进措施最终都能显著提升器件的轻量化程度。

为了降低成本，研究团队确保其微机电系统（MEMS）芯片——这种芯片还包含弹簧等运动部件——能够利用半导体制造技术在硅晶圆上进行大规模生产，包括使用蚀刻精确图案和精确沉积材料的工具。与成熟的制造工厂合作，可以像生产计算机处理器一样，获得规模经济效益。

该团队的目标是不断缩小其AutoCal IMU的尺寸。下一步的目标是将该设备缩小到冰球大小左右。

HRL也在寻求拓展IMU的应用范围。虽然导航是目前最大的应用前景，但任何使用GPS的应用场景最终都可能受益于基于MEMS的IMU。例如，它们可以帮助自动驾驶车辆在建筑物经常干扰卫星信号的城市环境中行驶。

但研究人员眼下的首要任务是尽快将他们研发的惯性测量单元（IMU）交付给实际用户，预计将于2027年开始量产。“成本、尺寸、重量和功耗——如果你想让这些设备普及，这些因素都非常重要，”张教授说。“我认为，在某个时候，我们会遇到GPS在关键应用中完全不可靠的情况。”