无人驾驶技术原理及应用 课件 4.3磁导航与惯性导航系统原理

刘元盛磁导航与惯性导航系统原理磁感应导航概述

磁导航主要通过在预定路线事先辐射磁条、磁道钉、通电的电缆等标志物，自主移动机器人和无人车通过检测预先埋设的磁性标注物的磁场来确定自身位置。磁条、磁道钉、通电的电缆会产生磁场。以磁条为例，当磁导航传感器位于磁条上方时，每个探测点上的磁场传感器能够将其所在位置的磁带强度转变为电信号，并传输给磁导航传感器的控制芯片，控制芯片通过数据转换就能够测出每个探测点所在位置的磁场强度。根据磁条的磁场特性和传感器采集到的磁场强度信息，AGV就能够确定磁条相对磁导航传感器的位置。根据使用方式，我们将磁导航分为两种类型：地标传感器和磁导航传感器。地标传感器和多点位的磁导航传感器相互配合，构成完整的磁导航感知系统。下图是一种典型的自主移动平台导引线铺设方式。黑色部分是用于引导移动平台的磁条，移动平台根据磁条来确定行进路线；蓝色方块是N极磁条，作为交叉路口标志，告知移动平台到了交叉路口，需要根据预定的策略决定行进方向；绿色方块是S极磁条，作为转弯标志，提醒移动平台即将进入弯道以及弯道的方向。磁感应导航概述转弯标志交叉路口标志启停工位磁感应导航应用磁感应导航概述磁导航传感器主要运用于自主导航机器人、室内室外巡检机器人、自主导航运输车AGV(AGC)、自动手推车等自主导航设备，完成自主导航设备的预设运行路线检测及定位。

优点：1）相比基于光电传感器和视觉传感器的色条导航方式，磁导航可靠性更高，不受环境光和地面条件的影响；2）相比激光导航方式，磁导航系统简单、实现容易、单体成本低廉。缺点:需要在地面进行敷设,大量铺设成本高，线路不能轻易改变。惯性导航系统惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。惯性导航系统

陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。

陀螺分类：

按测量物理机制分：机械陀螺（液浮、挠性、静电）

光学陀螺（激光、光纤）

微机电陀螺

按自由度个数分：单（双、三）自由度陀螺仪的漂移误差和加速度计的零位偏值是影响惯导系统精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善惯性器件的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。惯性导航系统

捷联式惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem，简写SINS)是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点，使得SINS已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测量组件(InertialMeasurementUnit，简写IMU)是惯导系统的核心组件，IMU的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。微惯性导航系统微惯性导航系统（Micro-INS，Micro-Inertial-NavigationSystem）简称“微惯导”，是一种基于微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）传感器技术的微型惯性导航系统。MEMS全称MicroElectromechanicalSystem，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成。

微惯性导航系统主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器，根据实际需求还可增加磁力计、气压计等MEMS器件。微惯导系统是以低成本的通用MEMS器件为基础，根据应用、误差修正、误差补偿的需要结合使用上述传感器，充分利用每种传感器的特长，通过载体运动模式学习、滤波算法设计、硬件和结构设计等，达到高精度自主定位的目标。惯性导航系统在无人车中的应用惯性导航系统是自动驾驶中必不可少的关键部件惯性导航在自动驾驶定位系统中具有不可替代性。惯导具有输出信息不间断、不受外界干扰等独特优势，可保证在任何时刻以高频次输出车辆运动参数，为决策中心提供连续的车辆位置、姿态信息，这是任何传感器都无法比拟的。惯性导航系统是唯一可以输出完备的六自由度数据的设备。惯导能够计算x,y,z三个维度的平动量（位置、速度、加速度）和转动量（角度、角速度），并可以通过观测模型，推测其他传感器状态的测量值，再用预测值和测量值的差用于加权滤波。若要获得实时的姿态角、方位角、速度和位置，惯导是唯一的选择。惯性导航系统优点：惯性导航系统有如下优点：1）由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2）可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。缺点：1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；3）设备