IMU（Inertial Measurement Unit）：即“惯性测量单元”，一般的IMU仅包含陀螺仪和加速度计，可以输出加速度和角速度。陀螺仪输出载体相对于惯性系的旋转角速率或者角增量，而加速度计输出比力（即去掉重力后的整体加速度或者单位质量上作用的非引力）或者速度增量。现在市场上既有IMU芯片，也有经过阵列排布和标定后的IMU模组。

VRU（Vertical Reference Unit）：即“垂直参考单元”，VRU是在IMU传感器的基础上，增加了计算横滚角和俯仰角的算法，可以输出姿态信息，VRU也可以提供无参考标准的航向角，航向角一般启动时为0°，随时间的增加，误差累积。由于在低动态情况，加速度计感受到的主要是垂直方向上的重力，因此可以采用互补滤波等算法进行横滚和俯仰的计算，并达到较好的精度。

AHRS（ Attitude and Heading Reference System ）：即“航姿参考系统”，AHRS一般由IMU（陀螺、加速度计）和磁力计组成，并增加了计算横滚、俯仰、航向的算法，可以解算被测物体的全姿态，包括绝对航向角。相比于VRU，由于增加了磁力计，因此不仅可以使用重力参考计算横滚、俯仰，还可以利用地磁参考计算航向，其算法通常也是互补滤波算法。除了磁力计，双天线GPS也可以提供航向信息，因此将磁力计替换为GPS航向或其他能提供航向的传感器，也可以组成AHRS系统。

INS（Inertial Navigation System）：即“惯性导航系统”，惯性导航系统（INS）是一种高度自主的导航系统，它利用惯性测量单元（IMU）来捕捉载体的比力（即加速度中扣除重力加速度的部分）及角速度信息。结合预设的初始条件，并通过与 GNSS（全球导航卫星系统）等外部系统的信息融合，INS 能够实时推算并输出载体的速度、位置、姿态等关键参数。其核心机制基于推算导航原理，即从某一已知起始点出发，依据连续监测到的载体航向角和速度变化，逐步推算出载体在后续各点的位置，从而实现对运动体当前位置的连续跟踪。在 INS 中，加速度计与陀螺仪是关键传感器，分别负责测量载体的运动参数。陀螺仪精确测量载体绕其本体坐标轴的旋转角速度，同时能够感知到地球自转的影响，为系统提供精确的姿态基准。而加速度计则依据牛顿第二定律工作，通过电容式、压阻式或热对流等多种物理效应，在加速过程中对内部质量块所受的惯性力进行测量，从而计算出载体在各轴向上的加速度。INS 通过复杂的算法处理陀螺仪测量的角速度数据，包括积分运算和坐标变换，以计算并更新载体的姿态角（横滚角、俯仰角和方位角）。基于这些姿态角，系统能够进一步计算出重力加速度向量在载体坐标系中的分量，并从加速度计测量值中减去这些分量，得到载体真实的加速度。随后，对这一加速度进行时间积分，即可得到载体的速度；速度再经过时间积分，最终确定载体的位置。

2. 3 轴、6 轴、9 轴的区别

概念解释：

3 轴传感器模块：通常指的是一种集成了三个独立测量轴的传感器设备，这三个轴相互垂直，分别对应于 X、Y、Z 三个方向。这种模块能够感知并测量物体在这三个方向上的物理量，具体测量内容取决于传感器的类型。
6 轴传感器模块：结合了三轴加速度计（用于测量物体在 X、Y、Z 方向上的加速度）和三轴陀螺仪（用于测量物体绕 X、Y、Z 轴的旋转角速度）。由于缺少绝对方向参考，每次模块上电时，其航向角会被重置为0°，无法直接区分方向（如东西南北），因此不适合作为指南针使用。
9 轴传感器模块：在 6 轴模块的基础上增加了三轴磁场传感器（也称为磁力计），用于感知地球磁场的方向，从而确定绝对方向。在正确校准后，每次模块上电时，航向角能够提供一个固定的绝对方向值（能够区分东西南北），使其能够作为指南针使用。然而，9 轴模块在复杂环境中易受磁干扰影响（特别是在室内环境下），因此在使用时需注意校准和减少磁干扰源。

系统应用：

6 轴模块：可构建为 VRU（垂直参考单元）或 IMU（惯性测量单元），主要用于提供载体的姿态（横滚、俯仰）信息以及角速度数据，适用于需要姿态控制和稳定的应用场景。
9 轴模块：更进一步，可构建为 AHRS（航姿参考系统），不仅提供姿态和角速度信息，还能通过磁力计确定绝对航向，为需要全面导航信息的系统提供有力支持。然而，其应用需注意环境中的磁干扰因素。

3. 组合导航

INS（惯性导航系统）的核心优势在于其短时间内能提供极高的位姿测量置信度，能够迅速响应并准确反映载体的即时动态。然而，其局限性在于无法直接提供全局坐标信息，且随着运行时间的延长，由于累积误差，会出现较大的漂移现象，因此通常需要借助外部位置数据源进行定期校正。

相比之下，GNSS（全球导航卫星系统）则擅长于提供全局性的绝对坐标信息，具有出色的长期稳定性和精度。但 GNSS 的短期精度和输出频率相对较低，且在复杂环境（如山区、城市峡谷等）中容易受到信号干扰，导致定位精度显著下降，甚至可能完全失效。

为了克服各自的局限性并充分利用两者的优势，INS 与 GNSS 的组合导航系统应运而生。这种组合方式通过融合两种系统的导航信息，实现了优势互补。组合导航系统能够输出高频率且高精度的导航参数（包括位置、速度和姿态），确保了在不同时间尺度上的导航性能均能达到较高水平。

4. 欧拉角和四元数

欧拉角：作为一组三个角度值，分别代表物体绕三维空间坐标轴（X、Y、Z）的旋转量，具体为俯仰角（Pitch，绕 Y 轴旋转）、滚动角（Roll，绕 X 轴旋转）和偏航角（Yaw，绕 Z 轴旋转），这些角度以特定顺序应用，共同定义了物体相对于某一参考坐标系的方向。

四元数：是数学上的一种扩展复数形式，包含四个维度，用于在三维空间中高效且稳定地表示旋转。相比欧拉角，四元数的主要优势在于能够避免“万向节锁定”现象，这是一种在特定旋转角度下，一个轴的旋转会意外地影响另一个轴旋转能力的问题，常出现于欧拉角表示法中。

四元数与欧拉角之间存在密切且复杂的转换关系。从四元数到欧拉角的转换，需要依据特定的旋转顺序（如 XYZ、ZYX 等），并通过一系列复杂的三角函数运算来实现，不同的旋转顺序会直接影响转换结果。反之，从欧拉角到四元数的转换同样依赖于旋转顺序，并涉及相应的三角函数计算来求得四元数的各分量。

尽管四元数在表示三维旋转时展现出更高的鲁棒性和稳定性，但它们也伴随着更高的计算复杂度和存储空间需求。因此，在选择使用欧拉角还是四元数时，需要综合考虑应用场景的具体需求、计算资源以及所需的精度水平。

二、校准与设置

校准与设置基本都只能在win下操作，所以你需要一个windows笔记本。

1. 安装CP2102usb驱动

2. H30线束连上PC

3. YISManager串口连接H30

翻转H30，可以看到三位定向图会跟着改变。

工具栏切换到姿态数据：

4. 航向切换

H30支持无参考航向、磁力计初始化航向以及磁参考航向三种模式切换。
磁力计初始化航向：使用磁力计的航向角做初始化，后续的增量部分由IMU的航向角增量完成，最终输出航向角是相对的磁航向。

【工具】→【相关配置】→【功能设置】，选择【VRU】模式，点【设置】按钮。
【工具】→【相关配置】→【串口输出设置】，输出频率选200HZ，点击【确定】按钮进行写入后生效磁力计初始化航向功能。
【工具】→【指令写入】，输入【59 53 4D 12 00 02 02 63 CF】，点击【发送】按钮使用通电时航向作为基准航向。
断开并重连，查看左侧当前状态栏，确认输出频率：200HZ，算法模式：VRU

*注：这款IMU的磁力航向不准，使用AHRS的话会导致航向角数据不准，需改为VRU模式。

5. 方向定义

H30载体系使用 X前-Y左-Z上(FLU) 坐标系，地理坐标系使用 X东-Y北-Z天(ENU)坐标系。

*注：以X、Y、Z的三个手指为轴心，做唯一可以旋转的动作，即可改变对应的坐标输出。

欧拉角旋转顺序为东（X）–北（Y）–天（Z）–321(先转Z轴，再转Y轴，最后转X轴)旋转顺序。具体定义如下：

绕 Z 轴方向旋转: 航向角/Yaw/psi(ψ) 范围:[-180°，180°]
绕 Y 轴方向旋转: 俯仰角/Pitch/theta(θ) 范围:[-90°， 90°]
绕 X 轴方向旋转: 横滚角/Roll/phi(ф) 范围:[-180°，180°]

给个比较形象的旋转方向示意图：

6. 陀螺零偏校准

在使用H30系列模块时，可能会出现输出位姿数据波动较大的状况，需要对系统进行零偏校准操作。

打开【工具】→【重置与校准】→【陀螺零偏】界面。
保持设备静止，点击【测量估计】，软件开始采集数据并计算陀螺仪零偏值。
完成采集后，点击【写入】即完成陀螺零偏校准。

*注：在估算陀螺仪零偏值的过程中，请保持设备的静止。如果在估算过程中设备产生了运动，有可能导致设备输出性能异常。

7. 姿态和航向角重置

如遇到输出的俯仰角和横滚角不为零的问题，说明模块与安装平面存在安装误差角，可以进行姿态角重置。将H30朝正东方向平放，先设置姿态重置，再触发航向角置零。（不用担心自己无法确保正东，下步骤会通过磁力计重新进行矫正）

8. 磁力计校准

地磁传感器出厂前经过椭球校准，但磁传感器很容易受到外界环境磁场干扰，一般都需要在拿到产品后重新校准。找一个相对空旷的无干扰的地方，将模块连接至电脑，打开上位机。在电脑前请尽量远离干扰源。执行如下操作。

打开【工具】→【重置与校准】→【磁力计】界面，选择是 3D校准模式，点击【Start】，根据提示分别缓慢沿X、Y、Z轴旋转H30（setp会自动切换，每个步骤约为6秒）
完成后点击【Finish】，查看生成3D校准结果，点击【Write to YIS】将校准参数发送并写入到模块，磁校准完成

旋转方法以及对应角度值的关系：

9. 固定串口号

外设对应的串口号通常都是主控根据设备连接顺序来设置的，如CP2102的设备名一般为【ttyUSBx】，一般都是会变化的，为了避免找不到设备的情况，我们用CH34xSerCfg把H30芯片串口号改为0003：

点击【恢复默认值】，会自动把空的各项都填上内容
修改Serial String 为 0003，然后点击“写入配置”，左下角显示写入配置成功
拔下重新插上H30，点击读取配置，确认配置正常

三、数据读取与可视化

1. 设备识别

通过Type-C转USB线束接到Ubuntu PC，查看设备是否识别：

$ lsusb |grep QinHeng
    Bus 001 Device 009: ID 1a86:55d4 QinHeng Electronics USB Single Serial

2. 配置别名

添加别名规则，把：

# idVendor 代表CH9102 的生产商 ID（默认为 1a86）
# idProduct 代表 CH9102 的产品编号（默认为 55d4）
# serial 为之前我们在windows电脑上给H30设置的序列号
sudo vim /etc/udev/rules.d/wheeltec_imu_ACM.rules
    KERNEL=="ttyACM*", ATTRS{idVendor}=="1a86", ATTRS{idProduct}=="55d4", ATTRS{serial}=="0003", MODE:="0777", GROUP:="dialout", SYMLINK+="wheeltec_IMU"

sudo service udev reload
sleep 2
sudo service udev restart

ll /dev/wheeltec_IMU
    lrwxrwxrwx 1 root root 7 Oct 30 18:02 /dev/wheeltec_IMU -> ttyACM0

3. 测试ROS SDK

3.1 ROS2

# download source
mkdir -P ~/ros2_imu/src 
cd ~/ros2_imu/src
git clone https://github.com/yanjingang/serial_ros2.git
git clone git@github.com:yanjingang/yesense_ros2.git

# depend
sudo apt install ros-humble-imu-tools
or
git clone -b humble https://github.com/yanjingang/imu_tools.git

# conf
cd ~/ros2_imu
vim  src/yesense_ros2/yesense_std_ros2/config/yesense_config.yaml
    serial_port: "/dev/wheeltec_IMU"
    baud_rate: 460800
    frame_id: "imu_link"
    driver_type: "ros_serial"
    imu_topic_ros: "/sensors/imu/data"
    imu_topic: "/sensors/imu/data_raw"
# build
colcon build --symlink-install --cmake-args -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
or
colcon build --symlink-install --packages-select=yesense_std_ros2

# run
source ~/ros2_imu/install/setup.sh
ros2 launch yesense_std_ros2 yesense_node.launch.py

# topic
ros2 topic list
ros2 topic hz /sensors/imu/data
    average rate: 200.175 HZ
ros2 topic echo /sensors/imu/data
ros2 topic echo /sensors/imu/data_raw

# rviz
rviz2 imu.rviz

rviz2添加rviz_imu_plugin-IMU组件，修改GlobalFrame-FixedFrame和Imu-Topic，让IMU倾斜即可看到对应的变化。

3.2 ROS1

# download source
mkdir -P ~/catkin_imu/src 
cd ~/catkin_imu/src
git clone git@github.com:yanjingang/yesense_ros1.git

# conf
cd ~/catkin_imu
find src/yesense_ros1/ -type f |xargs grep -w "sensor/imu" --color -n # 需要改到配置文件里
# build
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=yesense_ros1

# run
source devel/setup.bash
roslaunch yesense_ros1 yesense_ahrs.launch

# topic
rostopic list
rostopic hz /sensor/imu/data
    average rate: 199.175 HZ
rostopic echo /sensor/imu/data

4. IMU数据时间校准

# 用sensor精振和系统时间的gap修正IMU数据时间
vim src/yesense_ros2/yesense_std_ros2/src/yesense_node.cpp
   // =========== publish imu message ==============
   double now_timestamp = this->get_clock()->now().seconds();
   double sensor_timestamp = static_cast<double>(result->sample_timestamp / 1000000.0);
   if (std::abs(now_timestamp - (sensor_timestamp + timestamp_gap)) > 0.05) {
      timestamp_gap = now_timestamp - sensor_timestamp; 
   }
   double amend_timestamp = sensor_timestamp + timestamp_gap;
   printf("tid:%d sensor:%lf now:%lf gap:%lf amend:%lf\n", result->tid, sensor_timestamp, now_timestamp, timestamp_gap, amend_timestamp);
   // imu ros data 
   imu_ros_data.header.frame_id = frame_id; // 如果不加frame_id，rziv会因为frame_id为空而过滤不显示 
   imu_ros_data.header.stamp = rclcpp::Time(static_cast<int64_t>(amend_timestamp * 1000000000.0)); // this->get_clock()->now();

# build
colcon build --symlink-install --packages-select=yesense_std_ros2

# run
source ~/ros2_imu/install/setup.sh
ros2 launch yesense_std_ros2 yesense_node.launch.py    # 检查输出log里的时间戳gap和修正值是否正常

# topic
ros2 topic echo /sensors/imu/data    # 检查header里的时间戳是否正常

四、总结

经过初步验证，没有发现有什么问题，另外经过与厂商沟通，H30缺少时钟同步接口，但可以输出上电后的精振时间戳，只能在ros端拿到串口数据后再根据系统时间生成IMU数据的时间，当系统负载过大导致cpu卡顿延迟时，对数据时间精度会有影响。

具体等结合Lidar进行建图看下精度效果后再和大家反馈。

参考：

INS 、AHRS、VRU、IMU的区别与联系

ROS2中将IMU数据可视化

imu_tools

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闫金钢的Blog

自律自省，不喜不悲，保持爱心和希望

IMU—H30九轴AHRS

一、概述

1. IMU、VRU、AHRS、INS的区别与联系

2. 3 轴、6 轴、9 轴的区别

3. 组合导航

4. 欧拉角和四元数

二、校准与设置

1. 安装CP2102usb驱动

2. H30线束连上PC

3. YISManager串口连接H30

4. 航向切换

5. 方向定义

6. 陀螺零偏校准

7. 姿态和航向角重置

8. 磁力计校准

9. 固定串口号

三、数据读取与可视化

1. 设备识别

2. 配置别名

3. 测试ROS SDK

3.1 ROS2

3.2 ROS1

4. IMU数据时间校准

四、总结

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一、概述

1. IMU、VRU、AHRS、INS的区别与联系

2. 3 轴、6 轴、9 轴的区别

3. 组合导航

4. 欧拉角和四元数

二、校准与设置

1. 安装CP2102usb驱动

2. H30线束连上PC

3. YISManager串口连接H30

4. 航向切换

5. 方向定义

6. 陀螺零偏校准

7. 姿态和航向角重置

8. 磁力计校准

9. 固定串口号

三、数据读取与可视化

1. 设备识别

2. 配置别名

3. 测试ROS SDK

3.1 ROS2

3.2 ROS1

4. IMU数据时间校准

四、总结

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