電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)對具有移動功能的機器人，導航是一直不會過時的熱點。與汽車自動駕駛相比，受限于機器人的體積和成本，運用在其上的導航系統(tǒng)既要控制體積也要控制成本。建立在穩(wěn)定平臺上的傳統(tǒng)導航系統(tǒng)，大多采用獨立的加速度計和激光。所謂穩(wěn)定平臺，即與移動中的機器人內(nèi)部隔離起來的穩(wěn)定平臺，傳感器就機械地安裝在這個平臺上。這種傳統(tǒng)的導航方式尺寸大、成本頗高，雖然這種方式能提供很準確的導航精度。

IMU與地磁融合導航是否可行?

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

首先IMU具有獨有的自恃性，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行融合補足。但不得不說在多自由度的運動捕捉上，IMU有天然的優(yōu)勢。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進行目標姿態(tài)信息的獲取。

地磁傳感利用地球磁場，可以為導航提供天然的坐標系，在導航系統(tǒng)中實現(xiàn)定位定向以及姿態(tài)控制。在機器人導航上可以通過檢測目標周圍磁場相對地球磁場的變化，以此來判斷目標的經(jīng)過和通過，完成目標檢測。這種融合的傳感，地磁負責提供姿態(tài)信息，IMU進行距離測量。這樣的融合相對于傳統(tǒng)的平臺慣導體積小、成本低，雖然在導航精準度上可能會略低，但是在服務(wù)機器人和AMR導航應用里，0.01°/時的陀螺儀偏置，50μg的加速器偏置精度已經(jīng)足夠了。

融合導航不能忽視的問題

IMU與地磁融合導航時，在地磁傳感上有兩個必須要消除的誤差。第一個是由傳感器和電路引起的失調(diào)誤差，第二個是標度誤差。這兩種誤差都容易受到周圍磁環(huán)境的干擾。校準時可以通過IMU的加速度計校準其傾斜角，如果單單僅做到二維上的校準在實際應用中往往是不夠的。在實際使用中保證導航系統(tǒng)在外部低干擾的磁場環(huán)境也很重要。

如果導航系統(tǒng)受到磁干擾，這時候再使用地磁傳感來測量姿態(tài)精度只會比使用IMU來得更差。因此導航系統(tǒng)在受到磁干擾后，必須要及時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來測算姿態(tài)。

IMU同樣會有類似的問題，IMU的偏置即便能準確測量卻也很難取消，再加上加速度噪聲，會使導航距離開始漂移。要解決此類問題，除了結(jié)合運動學模式給系統(tǒng)更多的算法規(guī)則似乎別無他法了，這也是做移動機器人導航的公司核心競爭力之一。如果不考慮傳感器器件上的差距，算法層面也是能拉開差距的。

融合導航精度仍建立在傳感器性能上

上面說不考慮傳感器硬件差距只是一種假設(shè)，實際上不管算法再貼合運動模型，融合導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型的傳感都是徒勞的。傳感器融合能補救劣質(zhì)傳感器嗎?答案是不能。說到底傳感器融合是濾波和算法處理的過程，它把環(huán)境、運動動態(tài)信息和應用狀態(tài)對傳感器組合進行合并。傳感器融合可以提供確定性的校正但無法彌補傳感器內(nèi)在的缺陷。

這里服務(wù)類導航和工業(yè)級導航會有一點差別，服務(wù)類的導航對傳感器本身的性能要求沒有工業(yè)類那么高，主要靠先進的濾波器和算法融合傳感器的數(shù)據(jù)來彌補定位里不確定性的差距;工業(yè)類導航定位必須根據(jù)具體精度要求來選擇器件，更高質(zhì)量的IMU、地磁、激光等等傳感器會發(fā)揮出相當大作用，然后再適當利用其他傳感器來縮小不確定性的差距。

隨著半導體廠商在傳感器IC設(shè)計上向著微型化、功能集成化、低功耗發(fā)展，服務(wù)類融合導航上也開始將導航精度的問題往硬件層面上去解決。不管是基于哪種傳感的融合導航，雖然傳感器濾波以及算法是整個導航系統(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。

原文標題：從IMU與地磁傳感看融合導航

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審核編輯：湯梓紅