電子發(fā)燒友網報道(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，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在的缺陷。

這里服務類導航和工業(yè)級導航會有一點差別，服務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據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具體精度要求來選擇器件，更高質量的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設計上向著微型化、功能集成化、低功耗發(fā)展，服務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才能決定最基礎的精度。

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