หน่วยวัดความเฉื่อย ( IMU ) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่วัดและรายงานแรงเฉพาะอัตราเชิงมุมและบางครั้งการวางแนวของร่างกาย โดยใช้การรวมกันของมาตรวัดความเร่งไจโรสโคปและบางครั้งก็มาตรวัดสนามแม่เหล็กเมื่อรวมมาตรวัดสนามแม่เหล็กแล้ว IMU จะถูกเรียกว่า IMMU ^{[ 1 ]}

โดยทั่วไป IMU จะถูกใช้ในการควบคุมยานพาหนะสมัยใหม่ เช่น รถจักรยานยนต์ ขีปนาวุธเครื่องบิน ( ระบบอ้างอิงทิศทางและทัศนคติ ) รวมถึงยานบินไร้คนขับ (UAV) และอื่นๆ อีกมากมาย ตลอดจนยานอวกาศเช่นดาวเทียมและยานลงจอด การพัฒนาล่าสุดทำให้สามารถผลิต อุปกรณ์ GPS ที่ใช้ IMU ได้ โดย IMU จะช่วยให้เครื่องรับ GPS ทำงานได้เมื่อไม่มีสัญญาณ GPS เช่น ในอุโมงค์ ภายในอาคาร หรือเมื่อมีสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์^{[ 2 ]}

IMU (Integrated Motion Unit) ถูกนำมาใช้ในชุดหูฟัง VRและ ส มา ร์ทโฟนรวมถึงในคอนโทรลเลอร์เกมที่ติดตามการเคลื่อนไหว เช่นWii Remote , Steam Controller , Nintendo Switch Pro ControllerและDualSense

หน่วยวัดความเฉื่อยทำงานโดยการตรวจจับความเร่งเชิงเส้นโดยใช้มาตรวัดความเร่ง หนึ่งตัวหรือมากกว่า และอัตราการหมุนโดยใช้ไจโรสโคป หนึ่งตัวหรือ มากกว่า^{[ 3 ]}บางรุ่นยังรวมถึงแมกเนโตมิเตอร์ซึ่งมักใช้เป็นตัวอ้างอิงทิศทาง IMU บางรุ่น เช่น BNO055 ที่ใช้ใน 9-DOF IMU Breakout ของ Adafruit มีเซ็นเซอร์เพิ่มเติม เช่น อุณหภูมิ^{[ 4 ]}การกำหนดค่าทั่วไปประกอบด้วยมาตรวัดความเร่ง ไจโรสโคป และแมกเนโตมิเตอร์หนึ่งตัวต่อแกนสำหรับแต่ละแกนหลักทั้งสามแกน ได้แก่พิทช์ โรล และยอว์

หน่วยวัดพิกัดสามมิติ (IMU) มักถูกรวมเข้ากับระบบนำทางเฉื่อย (Inertial Navigation System : INS) ซึ่งใช้ข้อมูลดิบจากการวัดของ IMU ในการคำนวณทิศทาง อัตราเชิงมุม ความเร็วเชิงเส้น และตำแหน่งสัมพัทธ์กับกรอบอ้างอิงสากล ระบบ INS ที่ติดตั้ง IMU เป็นหัวใจหลักในการนำทางและควบคุมยานพาหนะเชิงพาณิชย์และทางทหารหลายประเภท เช่น เครื่องบินที่มีคนขับ ขีปนาวุธ เรือ เรือดำน้ำ และดาวเทียม IMU ยังเป็นส่วนประกอบสำคัญในการนำทางและควบคุมระบบไร้คนขับ เช่นโดรน (UAV) ยานยนต์ภาคพื้นดินไร้คนขับ ( UGV)และ ยานใต้น้ำไร้คนขับ (UUV) ระบบ INS เวอร์ชันที่ง่ายกว่าที่เรียกว่าระบบอ้างอิงทิศทางและการวัดมุม (Attitude and Heading Reference Systems: ATSER ) ใช้ IMU ในการคำนวณทิศทางของยานพาหนะโดยสัมพันธ์กับทิศเหนือแม่เหล็ก ข้อมูลที่รวบรวมจากเซ็นเซอร์ของ IMU ช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถติดตามตำแหน่งของยานพาหนะได้โดยใช้วิธีที่เรียกว่า การคำนวณตำแหน่ง โดยประมาณ (dead reckoning ) ข้อมูลนี้มักจะแสดงในรูปเวกเตอร์ออยเลอร์ที่แสดงมุมการหมุนในแกนหลักทั้งสามหรือควอเทอร์เนียน

ในยานพาหนะบนบก IMU สามารถบูรณาการเข้ากับระบบนำทางรถยนต์ แบบ GPS หรือระบบติดตามยานพาหนะได้ ทำให้ระบบมีขีดความสามารถในการคำนวณตำแหน่งโดยประมาณ (dead reckoning) และรวบรวมข้อมูลที่แม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เกี่ยวกับความเร็วปัจจุบัน อัตราการเลี้ยว ทิศทาง ความเอียง และอัตราเร่งของยานพาหนะ ร่วมกับ ข้อมูลจาก เซ็นเซอร์ความเร็วล้อ ของยานพาหนะ และสัญญาณเกียร์ถอยหลัง (ถ้ามี) เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่นการวิเคราะห์ อุบัติเหตุจราจร ที่ดีขึ้น

นอกจากวัตถุประสงค์ในการนำทางแล้ว IMU ยังทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์วัดทิศทางในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคหลายชนิด สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตเกือบทั้งหมดมี IMU เป็นเซ็นเซอร์วัดทิศทาง อุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกายและอุปกรณ์สวมใส่อื่นๆ อาจมี IMU เพื่อวัดการเคลื่อนไหว เช่น การวิ่ง IMU ยังมีความสามารถในการกำหนดระดับพัฒนาการของแต่ละบุคคลขณะเคลื่อนไหวโดยการระบุความเฉพาะเจาะจงและความไวของพารามิเตอร์เฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการวิ่ง ระบบเกมบางระบบ เช่น รีโมทคอนโทรลสำหรับNintendo Wiiใช้ IMU เพื่อวัดการเคลื่อนไหว IMU ราคาประหยัดช่วยให้เกิดการแพร่หลายของอุตสาหกรรมโดรนสำหรับผู้บริโภค นอกจากนี้ยังใช้บ่อยในเทคโนโลยีการกีฬา (การฝึกเทคนิค) ^{[ 5 ]}และแอปพลิเคชันแอนิเมชั่น เป็นเทคโนโลยีที่แข่งขันได้สำหรับการใช้งานในเทคโนโลยีการจับภาพการเคลื่อนไหว^{[ 6 ]} IMU เป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีการทรงตัวที่ใช้ในSegway Personal Transporter

ในระบบนำทาง ข้อมูลที่รายงานโดย IMU จะถูกป้อนเข้าสู่โปรเซสเซอร์ซึ่งคำนวณระดับความสูง ความเร็ว และตำแหน่ง^{[ 7 ]}การใช้งานทั่วไปที่เรียกว่าระบบเฉื่อยแบบ Strap Down จะรวมอัตราเชิงมุมจากไจโรสโคปเพื่อคำนวณตำแหน่งเชิงมุม ซึ่งจะถูกรวมเข้ากับเวกเตอร์แรงโน้มถ่วงที่วัดโดยมาตรวัดความเร่งในตัวกรอง Kalmanเพื่อประมาณทัศนคติ การประมาณทัศนคตินี้ใช้ในการแปลงการวัดความเร่งเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย (ดังนั้นจึงเรียกว่าการนำทางเฉื่อย) ซึ่งจะถูกรวมเข้าด้วยกันหนึ่งครั้งเพื่อให้ได้ความเร็วเชิงเส้น และสองครั้งเพื่อให้ได้ตำแหน่งเชิงเส้น^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

ตัวอย่างเช่น หาก IMU ที่ติดตั้งในเครื่องบินซึ่งเคลื่อนที่ไปตามเวกเตอร์ทิศทางหนึ่ง วัดความเร่งของเครื่องบินได้ 5 m/s² ^เป็นเวลา 1 วินาที หลังจากนั้น 1 วินาที คอมพิวเตอร์นำทางจะสรุปได้ว่าเครื่องบินต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 5 m/s และต้องอยู่ห่างจากตำแหน่งเริ่มต้น 2.5 เมตร (โดยสมมติว่า v₀ ₌ 0 และทราบพิกัดตำแหน่งเริ่มต้น_x₀ , _y₀ , _z₀ ) หากนำระบบนำทางแบบเฉื่อยมาใช้ร่วมกับแผนที่กระดาษหรือแผนที่ดิจิทัล (ซึ่งโดยทั่วไปแล้วผลลัพธ์ที่ได้จะเรียกว่าการแสดงแผนที่เคลื่อนที่เนื่องจากตำแหน่งที่ได้จากระบบนำทางมักถูกใช้เป็นจุดอ้างอิง ทำให้ได้แผนที่เคลื่อนที่) ระบบนำทางสามารถใช้วิธีนี้เพื่อแสดงตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ของเครื่องบิน ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งแก่ผู้ขับเครื่องบินได้ เช่นเดียวกับ ระบบนำทาง GPSแต่ไม่จำเป็นต้องติดต่อหรือรับข้อมูลจากส่วนประกอบภายนอกใดๆ เช่น ดาวเทียมหรือเครื่องส่งสัญญาณวิทยุภาคพื้นดิน แม้ว่าจะยังคงใช้แหล่งข้อมูลภายนอกเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดจากการคลาดเคลื่อน และเนื่องจากความถี่ในการอัปเดตตำแหน่งที่ระบบนำทางแบบเฉื่อยอนุญาตนั้นสูงกว่าการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ จึงทำให้สามารถมองเห็นการเคลื่อนที่บนแผนที่ได้อย่างราบรื่น วิธีการนำทางนี้เรียกว่าการคำนวณตำแหน่งโดยประมาณ (Dead Reckoning )

หนึ่งในหน่วยแรกๆ ได้รับการออกแบบและสร้างโดยบริษัท Ford Instrument Companyสำหรับกองทัพอากาศสหรัฐฯ เพื่อช่วยนำทางเครื่องบินในระหว่างการบินโดยไม่ต้องมีการป้อนข้อมูลจากภายนอกเครื่องบิน เรียกว่าGround-Position Indicatorเมื่อนักบินป้อนลองจิจูดและละติจูดของเครื่องบินขณะขึ้นบิน หน่วยนี้จะแสดงลองจิจูดและละติจูดของเครื่องบินเทียบกับพื้นดินให้นักบินเห็น^{[ 11 ]}

ระบบติดตามตำแหน่งเช่น GPS ^{[ 12 ]}สามารถใช้เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดการเลื่อนอย่างต่อเนื่อง (การประยุกต์ใช้ตัวกรอง Kalman )

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของการใช้ IMU สำหรับการนำทางคือโดยทั่วไปแล้ว IMU จะประสบปัญหาจากข้อผิดพลาดสะสม เนื่องจากระบบนำทางจะทำการอินทิเกรตความเร่งเทียบกับเวลาอย่างต่อเนื่องเพื่อคำนวณความเร็วและตำแหน่ง(ดูการคำนวณตำแหน่งโดยประมาณ )ข้อผิดพลาดในการวัดใดๆ แม้จะเล็กน้อย ก็จะสะสมไปเรื่อยๆ ตามเวลา ซึ่งนำไปสู่ ​​'การเบี่ยงเบน': ความแตกต่างที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ระหว่างตำแหน่งที่ระบบคิดว่าอยู่และตำแหน่งจริง เนื่องจากการอินทิเกรต ข้อผิดพลาดคงที่ในความเร่งจะส่งผลให้ความเร็วเพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้น และตำแหน่งเพิ่มขึ้นแบบกำลังสอง ข้อผิดพลาดคงที่ในอัตราทิศทาง (ไจโร) จะส่งผลให้ความเร็วเพิ่มขึ้นแบบกำลังสอง และตำแหน่งเพิ่มขึ้นแบบกำลังสาม^{[ 13 ]}

มี IMU หลากหลายประเภทมาก^{[ 14 ]}ขึ้นอยู่กับประเภทของแอปพลิเคชัน โดยมีประสิทธิภาพแตกต่างกันไป:

• ตั้งแต่ 0.1°/วินาที ถึง 0.001°/ชั่วโมง สำหรับไจโรสโคป
• สำหรับเครื่องวัดความเร่ง มีขนาดตั้งแต่ 100 มิลลิกรัม ถึง 10 ไมโครกรัม

เพื่อให้ได้แนวคิดคร่าวๆ หมายความว่า สำหรับเครื่องวัดความเร่งที่ไม่ได้รับการแก้ไขเพียงเครื่องเดียว เครื่องวัดความเร่งที่ถูกที่สุด (ที่ 100 มก.) จะสูญเสียความสามารถในการให้ความแม่นยำที่ระยะ 50 เมตรหลังจากประมาณ 10 วินาที ในขณะที่เครื่องวัดความเร่งที่ดีที่สุด (ที่ 10 ไมโครกรัม) จะสูญเสียความแม่นยำที่ระยะ 50 เมตรหลังจากประมาณ 17 นาที^{[ 15 ]}

ความแม่นยำของเซ็นเซอร์เฉื่อยภายในหน่วยวัดเฉื่อย (IMU) ที่ทันสมัยมีผลกระทบที่ซับซ้อนมากขึ้นต่อประสิทธิภาพของระบบนำทางเฉื่อย (INS) ^{[ 16 ]}

พฤติกรรมของเซ็นเซอร์ไจโรสโคปและแอคเซลเลอโรมิเตอร์มักจะแสดงด้วยแบบจำลองตามข้อผิดพลาดต่อไปนี้ โดยถือว่ามีช่วงการวัดและแบนด์วิดท์ที่เหมาะสม: ^{[ 17 ]}

• ข้อผิดพลาดจากการชดเชย: ข้อผิดพลาดนี้สามารถแบ่งออกได้เป็นประสิทธิภาพด้านความเสถียร (การเบี่ยงเบนในขณะที่เซ็นเซอร์ยังคงอยู่ในสภาวะคงที่) และความสามารถในการทำซ้ำ (ข้อผิดพลาดระหว่างการวัดสองครั้งในสภาวะที่คล้ายคลึงกัน โดยมีสภาวะที่แตกต่างกันคั่นอยู่ระหว่างนั้น)
• ข้อผิดพลาดของตัวคูณมาตราส่วน: ข้อผิดพลาดในความไวอันดับแรกเนื่องจากความไม่สามารถทำซ้ำได้และความไม่เป็นเชิงเส้น
• ข้อผิดพลาดจากการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง: เกิดจากการติดตั้งทางกลที่ไม่สมบูรณ์
• ความไวต่อแกนขวาง: การวัดแบบปรสิตที่เกิดจากการกระตุ้นตามแนวแกนที่ตั้งฉากกับแกนของเซ็นเซอร์
• เสียงรบกวน: ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการทำงานแบบไดนามิกที่ต้องการ
• ความไวต่อสภาพแวดล้อม: โดยหลักแล้วคือความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการเร่งความเร็ว

ข้อผิดพลาดทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางกายภาพต่างๆ ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์แต่ละชนิด ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการและเพื่อให้สามารถเลือกเซ็นเซอร์ได้อย่างเหมาะสม จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพิจารณาความต้องการด้านความเสถียร ความสามารถในการทำซ้ำ และความไวต่อสภาพแวดล้อม (โดยเฉพาะสภาพแวดล้อมทางความร้อนและทางกล) ทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ประสิทธิภาพที่ต้องการสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่มักจะดีกว่าประสิทธิภาพที่แท้จริงของเซ็นเซอร์ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์สามารถทำซ้ำได้ตลอดเวลาด้วยความแม่นยำมากหรือน้อย ดังนั้นจึงสามารถประเมินและชดเชยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้ การเพิ่มประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์นี้ขึ้นอยู่กับทั้งเซ็นเซอร์และแบบจำลอง IMU ความซับซ้อนของแบบจำลองเหล่านี้จะถูกเลือกตามประสิทธิภาพที่ต้องการและประเภทของการใช้งานที่พิจารณา ความสามารถในการกำหนดแบบจำลองนี้เป็นส่วนหนึ่งขององค์ความรู้ของผู้ผลิตเซ็นเซอร์และ IMU แบบจำลองเซ็นเซอร์และ IMU จะถูกคำนวณในโรงงานผ่านลำดับการสอบเทียบเฉพาะโดยใช้แท่นหมุนหลายแกนและห้องควบคุมสภาพอากาศ สามารถคำนวณได้สำหรับผลิตภัณฑ์แต่ละชิ้นหรือแบบทั่วไปสำหรับการผลิตทั้งหมด การสอบเทียบโดยทั่วไปจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพพื้นฐานของเซ็นเซอร์ได้อย่างน้อยสองทศวรรษ

หน่วยวัดความเคลื่อนไหวในเซ็นเซอร์ (IMU) ประสิทธิภาพสูง หรือ IMU ที่ออกแบบมาให้ทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง มักจะถูกแขวนไว้ด้วยโช้คอัพ โช้คอัพเหล่านี้จำเป็นต้องรับมือกับผลกระทบสามประการดังนี้:

• ลดข้อผิดพลาดของเซ็นเซอร์อันเนื่องมาจากการกระตุ้นจากสภาพแวดล้อมทางกล
• ควรปกป้องเซ็นเซอร์ เนื่องจากอาจเสียหายได้จากแรงกระแทกหรือการสั่นสะเทือน
• ควบคุมการเคลื่อนไหวที่ไม่พึงประสงค์ของ IMU ให้อยู่ภายในแบนด์วิดท์ที่จำกัด ซึ่งการประมวลผลจะสามารถชดเชยการเคลื่อนไหวเหล่านั้นได้

เซ็นเซอร์วัดการเคลื่อนที่แบบแขวน (IMU) สามารถให้ประสิทธิภาพสูงมาก แม้จะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงก็ตาม อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพดังกล่าว จำเป็นต้องชดเชยพฤติกรรมหลักสามประการที่เกิดขึ้น:

• การเกิดรูปทรงกรวย: ผลกระทบแบบปรสิตที่เกิดจากการหมุนสองทิศทางในแนวตั้งฉากกัน
• การพายเรือ: ผลกระทบแบบปรสิตที่เกิดจากความเร่งในทิศทางตั้งฉากกับการหมุน
• ผลกระทบจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

การลดข้อผิดพลาดเหล่านี้มักผลักดันให้นักออกแบบ IMU เพิ่มความถี่ในการประมวลผล ซึ่งทำได้ง่ายขึ้นด้วยเทคโนโลยีดิจิทัลรุ่นใหม่ อย่างไรก็ตาม การพัฒนาอัลกอริธึมที่สามารถยกเลิกข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้นั้น จำเป็นต้องมีความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับระบบเฉื่อยและความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในการออกแบบเซ็นเซอร์/IMU ในทางกลับกัน หากระบบกันสะเทือนมีแนวโน้มที่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ IMU ก็จะมีผลข้างเคียงในเรื่องขนาดและน้ำหนักด้วย

IMU ไร้สายเรียกว่า WIMU ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

• ไจโรสโคปแบบเรโซเนเตอร์ทรงครึ่งวงกลม  – ไจโรสโคปชนิดหนึ่ง
• PIGA accelerometer  – Pendulous Integrating Gyroscopic Accelerometer, เครื่องมือนำทางแบบเฉื่อย
• การปรับจูนแบบชูลเลอร์  – หลักการออกแบบระบบนำทางเฉื่อย
• ไจโรสโคปโครงสร้างสั่น  – ไจโรสโคปราคาประหยัดที่ใช้หลักการสั่นสะเทือน
• Intelsat 708 – ความล้มเหลวของจรวดจีน สาเหตุภายหลังระบุว่าเป็นการทำงานผิดพลาดของหน่วยวัดความเฉื่อย (Inertial Measurement Unit)