基于IMU和地磁传感器的捷联惯性导航系统设计.pdf
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2019-05-12
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基于IMU和地磁传感器的捷联惯性导航系统
作者：Joel Li和Van Yang
摘要
本文旨在介绍我们使用ADI公司的惯性测量单元
(
IMU
)
传感器
ADIS16470和PNI的地磁传感器RM3100构建的捷联惯性导航系统
(
SINS
)
。实现了基于磁力、角速率和重力
(
MARG
)
的SINS的一些基
本过程，包括电磁罗盘（地磁传感器）校准、使用扩展卡尔曼
滤波器
(
EKF
)
的姿态和航向参考系统
(
AHRS
)
和航迹跟踪。还实现了
使用最小平方误差
(
MSE
)
方法的松耦合传感器融合技术。文章展
示了每个过程步骤使用的算法和实验设置。本文最后讨论了结
果分析和用于提高导航准确性的方法。
简介
随着服务机器人市场和技术的发展，导航已成为研究和应用中
的一个热点。与车辆、船舶或飞机相比，服务机器人体积小，
成本低，因此它们的导航系统应该具有捷联和低成本的特点。
传统的稳定平台导航系统通常要采用独立的加速度计和光纤或
激光陀螺仪，所有传感器都机械且刚性地安装在与正在移动的
车辆隔离的稳定平台上。这导致了尺寸大、可靠性差、成本高
的缺点。相反，在捷联惯导系统中，惯性传感器直接固定在车
辆本体上，这意味着传感器会与车辆一起旋转。这种捷联方法
消除了稳定平台惯导的缺点。然而，平台惯导的准确性通常
高于SINS。平台惯导往往可以达到战略级（0.0001°/时的陀螺
仪偏置，1μ
g
的加速器偏置）或军用级（0.005°/时的陀螺仪偏
置，30μ
g
的加速器偏置），而多数SINS只能到达导航级（0.01°/
时的陀螺仪偏置，50μ
g
的加速器偏置）或战术级（10°/时的陀
螺仪偏置，1m
g
的加速器偏置）。对于大多数服务机器人或AGV
导航应用，这一精度足够了。
导航方法很多，包括机器视觉、GPS、UWB、SLAM型激光雷达
等。基于IMU的惯性导航始终是导航的重要组成部分。然而，由
于这种传感器的限制——例如偏置误差、轴间误差、噪声，特别
是零偏不稳定性——惯性导航通常需要采用一个伙伴传感器，定
期为它提供参考或校准，本文将这种情况称为传感器融合。许多
传感器都可以与IMU融合，例如摄像头和里程表，但在这些传感
器中，地磁传感器是一种低成本的方案，可与IMU配合获得姿态
信息。
在本文中，我们使用ADI的IMU ADIS16470和地磁传感器来开发平
台和算法，实现捷联惯性导航系统。但是，地磁传感器只能提
供姿态信息。对于航位推算或距离测量，我们只能使用IMU中的
加速度传感器。
ADIS16470 IMU简介
ADI公司的ADIS16470是一款微型MEMS IMU，集成了3轴陀螺仪和
3轴加速度计。其陀螺仪零偏稳定性为8°/时，加速计零偏稳定
性为13μ
g
，其关键参数都经过出厂校准。此外，ADIS16470的
低价格在同级产品中具有吸引力，得到了许多客户的广泛使
用。在本文中，我们使用微控制器与ADIS16470通过SPI接口进行
通信。
地磁传感器介绍
地磁传感器是用于测量罗盘体坐标（即坐标系）中的地磁场的
传感器，可为航向提供绝对参考。其x、y和z分量值由本地地磁
场投影而来。这种传感器有两个主要缺点——一是精度和分辨
率不高——例如，常用的霍尼韦尔罗盘传感器HMC5883L的分辨
率仅为12位。另一个缺点是传感器容易受到周围环境的干扰，
因为地磁场非常弱，强度范围为毫高斯到8高斯。
尽管有这些缺点，仍然可以在许多情况下使用，例如户外、低
EMI环境等。将地磁传感器与IMU进行松耦合，就可以在大多数
环境中使用这类传感器。
在本文中，我们使用PNI传感器公司的高性能电子罗盘传感器
RM3100，它提供了24位分辨率。PNI使用主动激励法来提高抗噪
声能力。
罗盘传感器的校准
在使用罗盘传感器之前，需要对其进行校准以消除两个主要误
差。一个是失调误差，这原本是由传感器和电路的失调误差引起
的。另一个是标度误差。这两种误差都容易受到周围磁环境的干
扰。例如，如果有一个x轴向的外部磁场施加到传感器上，就会
给出外部x轴失调误差。同时，x轴标度也将与y轴和z轴不同。
通常用于校准磁传感器的方法是在xy平面上转动传感器绕圈，然
后抽取数据。一个地点的地磁场强度是一个常数值，因此绘制的
数据应该是一个圆；然而，事实上，我们将看到一个椭圆形，这
意味着我们需要移动椭圆并重新缩放到以零为中心的圆。
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