慣性測量單元（IMU）作為一種能夠實時感知物體運動狀態(tài)的核心傳感器，通過融合加速度計與陀螺儀的測量數據，為載體提供三維空間中的加速度、角速度信息，并經積分運算推導姿態(tài)、速度與位置，在導航定位、運動控制、虛擬現實等領域發(fā)揮著不可替代的作用。與依賴外部信號的 GPS 等傳感器不同，IMU 屬于自主式測量設備，不受信號遮擋、電磁干擾等環(huán)境因素影響，能夠在隧道、室內、密林等復雜場景中保持連續(xù)工作，這種獨特的自主性使其成為多傳感器融合系統(tǒng)中的關鍵組件。隨著 MEMS（微機電系統(tǒng)）技術的突破，IMU 的體積從早期的軍用設備級別縮小至芯片級，成本降低三個數量級以上，推動其從航空航天等高端領域向消費電子、自動駕駛等民用市場普及。本文將系統(tǒng)闡述 IMU 的工作原理、技術特性、應用場景及發(fā)展趨勢，揭示其在現代智能系統(tǒng)中的核心價值。

IMU 的基本構成包括加速度計、陀螺儀，部分高級型號還集成磁力計形成 AHRS（航姿參考系統(tǒng)），三者協同實現完整的運動感知。加速度計基于牛頓第二定律，通過檢測質量塊在加速度作用下的位移或應力變化，輸出載體在三維坐標系中的線性加速度，其測量范圍通常為 ±2g 至 ±2000g（g 為重力加速度），適用于從步行到導彈飛行的不同運動強度場景。陀螺儀則利用角動量守恒原理（機械陀螺）或科里奧利力效應（MEMS 陀螺），感知載體繞三個軸的旋轉角速度，單位以 °/s 表示，量程覆蓋 ±250°/s 至 ±2000°/s，滿足從手機旋轉到航天器姿態(tài)調整的需求。兩者的原始數據需經坐標系對齊與時間同步后，通過姿態(tài)解算算法生成載體的實時姿態(tài)信息，常用的姿態(tài)表示方法包括歐拉角、四元數和旋轉矩陣，其中四元數因避免歐拉角的萬向節(jié)鎖問題而被廣泛采用，其更新公式為 q = q0 + 0.5×q×ω×dt（q 為四元數，ω 為角速度向量，dt 為采樣間隔）。

IMU 的技術性能由多項關鍵指標決定，零偏穩(wěn)定性是衡量精度的核心參數，指傳感器輸出在零輸入狀態(tài)下的漂移速率，MEMS IMU 通常為 10-100°/h，而光纖陀螺可達到 0.001°/h 以下，差異直接決定其適用場景。噪聲密度反映測量值的隨機波動，以 μg/√Hz（加速度計）和 °/√Hz（陀螺儀）為單位，低噪聲特性對高精度軌跡重建至關重要。采樣率則決定了對快速運動的捕捉能力，消費級 IMU 通常為 100-1000Hz，工業(yè)級產品可達 2000Hz 以上，確保不丟失高頻運動細節(jié)。此外，溫度漂移、非線性誤差、交叉軸耦合等因素也會影響測量精度，需要通過校準補償 —— 靜態(tài)校正常采用六面法，在不同姿態(tài)下采集數據建立誤差模型；動態(tài)校準則結合轉臺或機器人運動軌跡進行參數優(yōu)化，以降低環(huán)境因素的干擾。

從技術演進來看，IMU 經歷了從機械結構到固態(tài)電子的跨越式發(fā)展。早期的慣性導航系統(tǒng)依賴精密機械陀螺，如二戰(zhàn)時期德國 V-2 火箭使用的飛輪陀螺，體積龐大且成本高昂，僅能用于軍事領域。20 世紀 80 年代，光纖陀螺（FOG）問世，利用光在光纖環(huán)中的薩格納克效應測量角速度，精度提升至 0.01°/h，同時擺脫機械磨損問題，成為航空航天領域的主流選擇。90 年代 MEMS 技術的成熟標志著 IMU 的平民化進程，通過微加工工藝在硅片上制造微型傳感器，如 ADXL 系列加速度計和 IMU3000 陀螺儀，將成本降至百元級別，推動智能手機、無人機等消費產品的普及。近年來，量子慣性技術成為研究熱點，利用原子自旋的量子特性實現超高精度測量，理論零偏穩(wěn)定性可達 10-6°/h，有望突破傳統(tǒng)物理極限，但目前仍處于實驗室階段。