IMU oder AHRS: Was ist der Unterschied und wann braucht man was?

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Was liefert eine IMU?

Eine inertiale Messeinheit besteht aus drei orthogonalen Drehratensensoren und drei orthogonalen Beschleunigungssensoren. Sie misst Winkelgeschwindigkeit und lineare Beschleunigung, sonst nichts (Woodman, Cambridge UCAM-CL-TR-696). Viele Industrie-IMUs geben die Werte bereits über einen Abtastschritt integriert als Delta-Winkel und Delta-Geschwindigkeit aus, wie es ein Strapdown-Navigationsalgorithmus erwartet. Die Epson M-G370PDG0 bietet zum Beispiel diese Ausgabe, aber keine Lageausgabe (Datenblatt Rev 1.2).

Rohdaten sind richtig, wenn Ihr System bereits einen eigenen Schätzer betreibt: GNSS/INS-Filter, SLAM oder eine Robot-Localization-Lösung, die Odometrie, Lidar und Inertialdaten fusioniert. Dann zählen im Datenblatt vor allem Bias-Instabilität, Angle Random Walk und Velocity Random Walk.

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Was rechnet ein AHRS zusätzlich?

Ein Attitude and Heading Reference System nutzt Gyroskope und Beschleunigungssensoren, meist ergänzt um Magnetometer, und fusioniert sie mit einem Kalman- oder Komplementärfilter zu einer Lageschätzung (Justa et al., Sensors 2020). Die Integration der Drehrate liefert eine schnelle, glatte Lage, die driftet. Der Beschleunigungssensor misst die Schwerkraft und damit eine absolute, aber verrauschte Referenz für Roll und Pitch. Der Filter zieht die Gyro-Lage mit dieser Referenz zurück.

Daraus folgen zwei physikalische Grenzen. Die Schwerkraft enthält keine Information über die Drehung um die Hochachse, der Beschleunigungssensor kann Yaw also nicht stützen (Wondosen et al., Sensors 2021). Für den Kurs braucht es Magnetometer, Zwei-Antennen-GNSS oder eine andere externe Referenz. Außerdem kann der Beschleunigungssensor Schwerkraft und Eigenbeschleunigung nicht trennen: Beim Bremsen, in Kurven oder unter Vibration ist die Neigungsreferenz verfälscht (Justa et al.), und Magnetometer werden durch lokale magnetische Störfelder in der Umgebung beeinflusst (Wondosen et al.). Wie gut ein AHRS damit umgeht, ist eine Eigenschaft des Filters, nicht allein des Sensors.

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Wie grenzt sich ein INS ab?

Ein Trägheitsnavigationssystem geht einen Schritt weiter: Es zieht die Schwerkraft ab, integriert die Beschleunigung zweimal und verfolgt Position und Geschwindigkeit ab einem bekannten Startpunkt (Woodman). Lagefehler werden dadurch teuer, weil eine verbleibende Neigung Schwerkraft in die horizontalen Achsen einkoppelt. In Woodmans Beispiel führt ein Neigungsfehler von 0,05° nach 30 s zu 7,7 m horizontalem Positionsfehler.

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Welche Epson-IMUs berechnen die Lage selbst?

Zwei Modelle der PDG-Serie rechnen die Lage intern: M-G330PDG0 und M-G366PDG0. Beide geben Neigung, Euler-Winkel oder Quaternionen aus Gyro- und Beschleunigungsdaten aus. Keines enthält ein Magnetometer, und Epson weist darauf hin, dass die Yaw-Drift nicht kompensiert wird. Praktisch heißt das: Roll und Pitch mit Schwerkraftbezug, Yaw frei laufend. Für viele Nivellier- und Ausrichtaufgaben reicht genau das.

Alle Werte typisch, aus den aktuellen Epson-Datenblättern (Rev 1.2) und Produktseiten:

Die dynamische Genauigkeit gilt bis 100 °/s im Epson-Bewegungsprofil „modeA“, gemessen aus dem Stillstand heraus. Alle drei teilen das Gehäuse 24 × 24 × 10 mm, rund 10 g, mit SPI- oder UART-Schnittstelle. Bei M-G330PDG0 und M-G366PDG0 lässt sich die Lageausgabe nicht mit dem externen Trigger-Eingang kombinieren; das ist relevant, wenn die IMU mit Kamera oder Lidar synchronisiert werden soll.

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Wie schnell driftet Yaw ohne Kursreferenz?

Eine einfache Abschätzung: Bleibt der Rest-Bias auf dem Niveau der Bias-Instabilität und kommt der Angle Random Walk hinzu, beträgt der Yaw-Fehler nach der Zeit t etwa Bias × t plus ARW × √t. Das ist eine eigene, vereinfachte Rechnung mit typischen Werten bei konstanter Temperatur, ohne Einschalt-Bias, Temperaturdrift und Skalenfaktorfehler.

Für einen Gimbal, der alle paar Minuten neu referenziert wird, sind Bruchteile eines Grads oft unkritisch. Muss eine Maschine eine Stunde lang ohne GNSS den Kurs halten, entscheidet das Yaw-Budget über den Sensor, und eine Kursstützung gehört ins Design. Der Drift-Rechner im IMU Selection Guide rechnet das für eigene Zeiträume.

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Wann braucht man was?

1. 01Ihre Software fusioniert bereits mehrere Sensoren (GNSS/INS, SLAM, ROS): IMU-Rohdaten nutzen und nach Bias-Instabilität und Random Walk auswählen. Von den drei Modellen oben hat die M-G370PDG0 die geringste Bias-Instabilität.
2. 02Sie brauchen Roll und Pitch für Nivellierung, Neigungskompensation oder Stabilisierung und wollen keinen eigenen Filter schreiben: Lageausgabe im Sensor nutzen (M-G330PDG0 oder M-G366PDG0) und die dynamische Genauigkeit gegen das eigene Bewegungsprofil prüfen.
3. 03Sie brauchen einen absoluten Kurs: Weder eine IMU noch eine Lageausgabe ohne Magnetometer löst das allein. Eine Kursreferenz einplanen (Zwei-Antennen-GNSS, Magnetometer in magnetisch ruhiger Umgebung oder kartenbasierte Korrektur).
4. 04Sie brauchen Position über GNSS-Ausfälle hinweg: Dann ist ein INS nötig, und Lagefehler samt ihrer Wirkung auf die Position gehören ins Fehlerbudget.