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利用 MEMS 惯性传感器实现 VDR 导航应用

更新时间:09-29 , 2017 / 860 次阅览

士兰微 谢宜航

引言
近年来,随着智能化产业的迅速发展,基于MEMS技术的传感器已经在运动检测,图像增稳,导航定位领域有着广泛的应用。其中MEMS惯性器件低成本,小型化与消费类电子的移动性与经济性相结合,将许多原本只存在于工业,军事领域的应用扩展到民用。
例如,的消费者正越来越多地在智能手机中使用车载导航系统,高质量的用户体验需求更为强烈。惯性器件作为导航器件在军事,航空航天领域已有着成熟的应用。通常,惯性传感器与GPS等其他导航设备一起使用。当GPS访问不可靠时,惯性导航可以利用所谓航位推算技术来弥补空隙。对于智能手机中使用车载导航系统可以通过GNSS和INS组合定位,解决车载定位设备在卫星信号丢失情况下的定位问题,提升终端的综合定位能力。为用户提供更准确的定位和速度等信息。这种技术被称为VDR/GPS组合导航技术。VDR是vehicle Dead-Reckoning 的简称。
VDR/GPS组合导航技术有着如下优势:1)“抗漂移”能力强;通过集成车载增强定位算法和卫星定位技术进行组合定位,降低在城市峡谷中卫星定位大漂移对轨迹的影响,实现在环境遮挡、室内场景等卫星信号容易丢失情况下的定位服务,为用户提供更准确的定位和速度等信息。2)功能集成化,模块化,易于用户接入;惯性器件与GPS能够在硬件上模块化设计,能够针对智能手机、智能后视镜、前后装导航终端、ADAS预警终端、位置跟踪器等设备需要功能进行深入封装和定制化,提供功能接口。易于接入各种嵌入式设备。3)应用场景广泛,VDR/GPS组合导航技术可以不依赖车辆CAN总线数据,实现对终端姿态和姿态变化的自动识别,提供精准的位置、速度及姿态信息,为车载终端的需要提供连续定位。能够适用于导航、ADAS应用、设备定位、共享单车防盗、UBI分析等场景,为用户终端提供连续定位、车速及超速预警、设备运动状态识别、用户驾驶行为分析等功能。
VDR导航基本原理
航位推算(DR,Dead-Reckoning) 是一种常用的导航定位技术,其基本原理是利用方向传感器和速度传感器来推算车辆的瞬时位置,可以实现连续自主式定位。但由于其推算过程是一个累加过程,方向传感器的误差随时间的延长而积累另外,推算只能确定相对位置和航向。导航开始时,需要预知车辆的初始绝对位置和方向,因此,航位推算方法并不能单独、长时间地使用。将航位推算与GPS 组合起来,两者取长补短,可以弥补各自的缺点,保系统能在任何时候都能为运动车辆提供较为准确的导航信息。一方面可以利用GPS精确的定位结果辅助DR的初始化并且可以定期地用它对DR的定位误差进行在线校正另一方面,在GPS无法定位时系统又可以自动地切换到DR导航方式,直至GPS 恢复正常接收后,系统再回到GPS 与DR的组合导航方式。与此同时,再实时地对组合导航系统的输出信息与电子地图进行匹配,便可以将导航输出信息可视化,大大提升了定位质量。
传感器选择
惯性传感器的性能水平千差万别。适合游戏与玩具的器件并不能解决本文所述的高性能导航问题。对于导航,重要的器件性能指标是零漂稳定性、振动影响、灵敏度和噪声。杭州士兰微电子股份有限公司推出的六轴惯性传感器SC7I20能够出色的完成这一任务。
SC7I20是一款高灵敏度、低功耗的惯性传感器电路。内置三轴加速度计和三轴陀螺仪,在高性能模式、SC7I20集成的节能模式能将功耗控制在1.25mA以下(ODR 1.6KHz工作模式),同时能提供Always-on的低功耗模式。加速度计量程范围±2g/±4g/±8g/±16g,陀螺仪的角速度量程可以为±125/±245/±500/±1000/±2000dps。包含自测功能和修调功能。SC7I20的封装为LGA-14L,正常工作温度范围为-40°C ~ +85 °C。
SC7I20可以提供一流的运动检测,譬如可以检测定位和手势等,这些可以使得应用开发者和用户能够开发更加复杂的功能。事件中断功能能有效可靠的实现运动跟踪和环境识别,实现硬件识别自由落体,6D方向检测,单击或双击检测,动态或非动态检测,以及唤醒功能。SC7I20支持主流操作系统,提供现实的,虚拟的和批处理模式传感。此外,SC7I20运行Android指定的传感器相关的功能,节能和使能快速反应时间。尤其,SC7I20可以设计实现比如运动、倾斜、计步功能。
芯片内置自测试功能允许客户系统测试时检测系统功能,省去复杂的转台测试。芯片内置产品倾斜校准功能,对贴片和板卡安装导致的倾斜进行补偿,不占系统资源,系统文件升级不影响传感器参数。

VDR/GPS总体实现方案
对于消费级环境下的VDR/GPS松组合导航技术,采用陀螺仪推算载体航向角,利用加速度计推算载体速度与位置,然后利用扩展卡尔曼滤波算法,将航位推算得到的导航信息与GPS组合,得到组合导航所需信息。技术方案总体原理图如图所示:

总体方案主要包括:1)MEMS惯性器件的误差建模与补偿,为组合导航系统的信息融合奠定基础;2)基于消费级MEMS惯性器件与GPS模块的导航系统初始对准,即利用陀螺仪,加速度计,磁强计在组合导航系统工作的初始时刻确定系统的姿态信息,并研究在车载模式下利用GPS信号提供的速度信息解算载体航向信息,以降低环境磁场对磁航向精度的影响;3)基于MEMS惯性传感器芯片,GPS构建组合导航系统,通过VDR算法与VDR/GPS松组合导航算法实现车载模式下的实时导航定位;4)GPS信号受限应用场合下的自适应组合导航滤波方法。实现在GPS信号在受到遮挡,屏蔽及多径干扰情况下,组合导航滤波器参数自适应调整,从而提高组合导航系统在车载与手持模式下的环境适应能力。
此外,由于特殊使用习惯于环境差异,除要考虑VDR算法和组合导航滤波等基本理论外,还需考虑具体的工程实现技术问题,如:1)导航初始定位自确定技术2)惯性传感器数据预处理技术。
结论
VDR/GPS组合车辆定位导航系统将MEMS惯性传感器与GPS相结合,从而提高了系统的有效性、完整性和精度。利用VDR航迹推算系统能保证卫星信号丢失时车辆位置信息输出,还能利用地图匹配技术来进一步地提高导航的精度。此系统具有全方位、全天候、无遮挡、高精度的特点,具有良好的应用前景。

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