IMU與地磁融合導(dǎo)航是否可行

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))對(duì)具有移動(dòng)功能的機(jī)器人，導(dǎo)航是一直不會(huì)過(guò)時(shí)的熱點(diǎn)。與汽車(chē)自動(dòng)駕駛相比，受限于機(jī)器人的體積和成本，運(yùn)用在其上的導(dǎo)航系統(tǒng)既要控制體積也要控制成本。建立在穩(wěn)定平臺(tái)上的傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)，大多采用獨(dú)立的加速度計(jì)和激光。所謂穩(wěn)定平臺(tái)，即與移動(dòng)中的機(jī)器人內(nèi)部隔離起來(lái)的穩(wěn)定平臺(tái)，傳感器就機(jī)械地安裝在這個(gè)平臺(tái)上。這種傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式尺寸大、成本頗高，雖然這種方式能提供很準(zhǔn)確的導(dǎo)航精度。

IMU與地磁融合導(dǎo)航是否可行?

導(dǎo)航的方法有很多，機(jī)器視覺(jué)、GPS、UWB、SLAM型激光雷達(dá)等，單一傳感肯定不是日后機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的方向。作為機(jī)器人導(dǎo)航重要組成部分的基于IMU的慣性導(dǎo)航一直是機(jī)器人導(dǎo)航定位不可或缺的，那IMU融合地磁傳感這種方式是否可行，是否會(huì)在機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)里占有一席之地呢?

首先IMU具有獨(dú)有的自恃性，雖然IMU自身并不能很好地解決漂移、噪聲，尤其是零偏不穩(wěn)定性，因此常需要與另一傳感器進(jìn)行融合補(bǔ)足。但不得不說(shuō)在多自由度的運(yùn)動(dòng)捕捉上，IMU有天然的優(yōu)勢(shì)。這也是在傳感器融合上IMU如此受歡迎的原因。很多傳感器都可以與IMU融合，與地磁傳感是一種偏低成本的方案，主要是為了配合IMU進(jìn)行目標(biāo)姿態(tài)信息的獲取。

地磁傳感利用地球磁場(chǎng)，可以為導(dǎo)航提供天然的坐標(biāo)系，在導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)定位定向以及姿態(tài)控制。在機(jī)器人導(dǎo)航上可以通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)周?chē)艌?chǎng)相對(duì)地球磁場(chǎng)的變化，以此來(lái)判斷目標(biāo)的經(jīng)過(guò)和通過(guò)，完成目標(biāo)檢測(cè)。這種融合的傳感，地磁負(fù)責(zé)提供姿態(tài)信息，IMU進(jìn)行距離測(cè)量。這樣的融合相對(duì)于傳統(tǒng)的平臺(tái)慣導(dǎo)體積小、成本低，雖然在導(dǎo)航精準(zhǔn)度上可能會(huì)略低，但是在服務(wù)機(jī)器人和AMR導(dǎo)航應(yīng)用里，0.01°/時(shí)的陀螺儀偏置，50μg的加速器偏置精度已經(jīng)足夠了。

融合導(dǎo)航不能忽視的問(wèn)題

IMU與地磁融合導(dǎo)航時(shí)，在地磁傳感上有兩個(gè)必須要消除的誤差。第一個(gè)是由傳感器和電路引起的失調(diào)誤差，第二個(gè)是標(biāo)度誤差。這兩種誤差都容易受到周?chē)怒h(huán)境的干擾。校準(zhǔn)時(shí)可以通過(guò)IMU的加速度計(jì)校準(zhǔn)其傾斜角，如果單單僅做到二維上的校準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中往往是不夠的。在實(shí)際使用中保證導(dǎo)航系統(tǒng)在外部低干擾的磁場(chǎng)環(huán)境也很重要。

如果導(dǎo)航系統(tǒng)受到磁干擾，這時(shí)候再使用地磁傳感來(lái)測(cè)量姿態(tài)精度只會(huì)比使用IMU來(lái)得更差。因此導(dǎo)航系統(tǒng)在受到磁干擾后，必須要及時(shí)判斷磁傳感是否還可用。正常情況下融合性的算法在這種情況下也必須切換為IMU來(lái)測(cè)算姿態(tài)。

IMU同樣會(huì)有類(lèi)似的問(wèn)題，IMU的偏置即便能準(zhǔn)確測(cè)量卻也很難取消，再加上加速度噪聲，會(huì)使導(dǎo)航距離開(kāi)始漂移。要解決此類(lèi)問(wèn)題，除了結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模式給系統(tǒng)更多的算法規(guī)則似乎別無(wú)他法了，這也是做移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的公司核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。如果不考慮傳感器器件上的差距，算法層面也是能拉開(kāi)差距的。

融合導(dǎo)航精度仍建立在傳感器性能上

上面說(shuō)不考慮傳感器硬件差距只是一種假設(shè)，實(shí)際上不管算法再貼合運(yùn)動(dòng)模型，融合導(dǎo)航的地基是建立在器件本身性能之上的，如果傳感器內(nèi)在有缺陷，那么不管你融合多少其他類(lèi)型的傳感都是徒勞的。傳感器融合能補(bǔ)救劣質(zhì)傳感器嗎?答案是不能。說(shuō)到底傳感器融合是濾波和算法處理的過(guò)程，它把環(huán)境、運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)信息和應(yīng)用狀態(tài)對(duì)傳感器組合進(jìn)行合并。傳感器融合可以提供確定性的校正但無(wú)法彌補(bǔ)傳感器內(nèi)在的缺陷。

這里服務(wù)類(lèi)導(dǎo)航和工業(yè)級(jí)導(dǎo)航會(huì)有一點(diǎn)差別，服務(wù)類(lèi)的導(dǎo)航對(duì)傳感器本身的性能要求沒(méi)有工業(yè)類(lèi)那么高，主要靠先進(jìn)的濾波器和算法融合傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)彌補(bǔ)定位里不確定性的差距;工業(yè)類(lèi)導(dǎo)航定位必須根據(jù)具體精度要求來(lái)選擇器件，更高質(zhì)量的IMU、地磁、激光等等傳感器會(huì)發(fā)揮出相當(dāng)大作用，然后再適當(dāng)利用其他傳感器來(lái)縮小不確定性的差距。

隨著半導(dǎo)體廠商在傳感器IC設(shè)計(jì)上向著微型化、功能集成化、低功耗發(fā)展，服務(wù)類(lèi)融合導(dǎo)航上也開(kāi)始將導(dǎo)航精度的問(wèn)題往硬件層面上去解決。不管是基于哪種傳感的融合導(dǎo)航，雖然傳感器濾波以及算法是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)里很重要的部分，但只有器件本身的品質(zhì)才能決定最基礎(chǔ)的精度。

原文標(biāo)題：從IMU與地磁傳感看融合導(dǎo)航

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審核編輯：湯梓紅