采用ADIS16470和RM3100传感器实现惯性导航系统的设计

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，1μg的加速器偏置）或级（0.005°/时的陀螺仪偏置，30μg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，50μg的加速器偏置）或战术级（10°/时的陀螺仪偏置，1mg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13μg 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。

上述2D校准方法有一些缺点，并且需要用加速器来测量其倾斜度。我们使用3D球面拟合方法来校准罗盘传感器。首先，我们需要将传感器旋转到x-y-z空间中的每个方向，并在3D坐标中绘制其值。然后我们需要使用最小平方误差（MSE）方法将数据拟合为椭球面。

在介绍我们的方法之前，有必要首先解释为什么确定姿态需要进行融合。事实上，我们的系统现在有三种传感器：陀螺仪、加速器和罗盘（地磁传感器）。

陀螺仪提供围绕各轴的旋转角速度。通过角速率积分计算，我们可以得到旋转角度。如果我们知道初始航向，通过角度就始终能够得到航向姿态。积分将累积陀螺仪的不稳定零偏，这将导致角度误差。此外，来自陀螺仪的高斯分布噪声将积分成一个布朗运动过程，并导致随机游走误差。因此，我们很难长时 间使用陀螺仪，陀螺仪需要定期校准

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