精確的運動跟蹤：慣性測量單元

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-12-02 14:50:08

對於(yu) 導彈製導係統來說，輕微的航向誤差就意味著偏離目標數英裏。或者想象一下，一支特種部隊所依賴的定位技術在沒有 GPS 的環境中會(hui) 失敗。慣性測量單元 (IMU) 可滿足這些任務所需的精度。在導航係統或虛擬現實等各種應用中準確跟蹤方向是一項嚴(yan) 峻的挑戰。慣性測量單元 (IMU) 已成為(wei) 精確運動跟蹤的一種有前景的解決(jue) 方案。在本文中，我們(men) 深入研究了 IMU 慣性傳(chuan) 感器的世界，並探索它們(men) 如何在存在磁異常的情況下提供準確的運動跟蹤。

慣性測量單元應用於(yu) 潛水器的水下運動跟蹤

慣性運動跟蹤：它是如何工作的

慣性測量單元由加速度計、磁力計和陀螺儀(yi) 組合而成。通過利用這些傳(chuan) 感器，IMU 分別測量線性加速度、磁場方向和旋轉信息。使用傳(chuan) 感器融合算法融合這些傳(chuan) 感器輸出，以確定 IMU 模塊的方向。

加速度計對運動過於(yu) 敏感，會(hui) 拾取振動和抖動。使用加速度計準確確定地球重力需要係統保持靜止。

陀螺儀(yi) 測量繞軸旋轉的角速率。 MEMS（微機電係統）陀螺儀(yi) 是業(ye) 界最流行的，它測量相對旋轉，但不測量絕對參考。與(yu) 加速度計結合使用，即使在動態運動期間也可以獲得準確的俯仰和滾動讀數。與(yu) 磁力計結合使用，磁北可用於(yu) 提供初始絕對參考。陀螺儀(yi) 的偏置或零偏移會(hui) 隨著時間的推移而漂移，如果不加以校正，即使具有良好的初始參考，這也可能成為(wei) 係統誤差的主要來源。

磁力計測量周圍的磁場，三軸磁力計將提供所測量磁場的大小和方向。為(wei) 了使用磁力計進行導航和定向，需要從(cong) 總磁場測量中提取地球磁場。如果 IMU 主機係統具有固定的磁特征，則可以執行硬鐵和軟鐵校準以隔離地球磁場。改變局部磁場（例如附近的手機、計算機和建築物中的鋼筋等）可能會(hui) 暫時扭曲磁航向信息，但當陀螺儀(yi) 和加速度計與(yu) 磁力計結合使用時也可以得到補償(chang) 。

正如《EDN 運動傳(chuan) 感器揭秘》中的一篇文章所述，每個(ge) 傳(chuan) 感器本身都有其缺點，但當將各個(ge) 傳(chuan) 感器與(yu) 卡爾曼濾波器等自適應濾波算法組合在一起時，可以通過小型、低成本傳(chuan) 感器。

通過傳感器融合和機器學習算法解決磁異常

為(wei) 了解決(jue) 磁異常帶來的挑戰，融合算法可以發揮作用。Sentral™ 包含被認為(wei) 是同類最佳的最先進的融合算法：

• 它可以抑製磁幹擾，使其在現實世界條件下能夠長期保持準確度

• 它采用恒定校準技術，幾乎消除了陀螺儀(yi) 漂移誤差以及令人困惑的重複用戶校準的需要

• 絕對運動跟蹤，幾乎沒有延遲

• 僅(jin) 使用 200μAmps 的功率，不到執行傳(chuan) 感器融合任務的微控製器和/或標準 CPU 所用功率的 10%。

下麵的 Sentral 算法框圖中介紹了算法操作的概念概述。

Sentral 算法框圖

主要定向算法在傳(chuan) 播和合並模塊中執行 - 定向在短時間尺度上遵循陀螺儀(yi) 傳(chuan) 播，並較慢地合並到磁力計 (mag) 和加速度計 (accel) 框架。該核心塊還更新陀螺儀(yi) 偏差值。在此核心操作之外，自動校準、磁瞬態檢查和靜止檢測模塊執行修改四元數更新的計算。

Autocal 在後台持續運行磁力校準，並檢查磁力係數是否需要更新。該塊啟用後台自動校準。 Mag Transient Check監控磁梯度和畸變水平，然後決(jue) 定是否關(guan) 閉磁合並或調整磁合並速率。該塊負責拒絕磁異常。

準確運動跟蹤的未來

精確的運動跟蹤可以擴展到使用 IMU 的精確位置跟蹤。影響使用 IMU 進行慣性位置跟蹤精度的主要挑戰是：準確的方向估計以及由於(yu) 陀螺儀(yi) 和加速度偏差漂移以及陀螺儀(yi) 刻度誤差而導致的就位誤差的增長。

距離加速度計的雙重積分會(hui) 快速累積位置誤差。使用步數和方向也會(hui) 由於(yu) 步長縮放誤差以及行進方向與(yu) 設備方向之間的未對準而導致位置誤差。

事實證明，將機器學習(xi) 算法應用於(yu) 人體(ti) 動力學可以為(wei) 徒步士兵提供準確的行進方向和位置，僅(jin) 使用 IMU 而無需 GPS 的情況下，FORT 每行駛 1 公裏可提供 10m 的精度。未來的博客將深入研究 FORT 及其連續自適應導航 (CAN) 算法的詳細信息。