使用IMU替代GPS的电路设计方案

2019年07月11日 作者:Teardown

全球导航卫星系统 (GNSS) 非常有用,能够定位全球任意位置已正确启用此功能的系统,但仅仅使用 GNSS 接收器进行定位也存在一些问题。使用惯性测量装置 (IMU) 对 GNSS 进行补充,则可以克服这些问题。

IMU 采用陀螺仪、加速计和磁力仪,基于初始起点测量位置。本文将讨论它的嵌入式应用,然后再介绍一些适当的解决方案示例以及使用方法。

IMU 如何补充 GNSS

GNSS 存在四个问题。

首先,GNSS 信号具有很强的指向性,因此会被建筑物遮挡。

其次,接收器有几十秒到一分钟甚至更长时间的热启动和冷启动时间。接收器需要利用启动时间采集并锁定定位所需的多个卫星信号。

第三,GNSS 的位置更新率被限制为每秒一次。这对追踪缓慢移动的大型物体而言没有问题,但对许多嵌入式应用而言,启动时间太长而且更新率太慢。第四,GNSS 精确到米,对于大多数嵌入式应用而言不够精确。这类应用种类繁多,例如不涉及地面交通的机器人和虚拟现实等。

IMU 提供了许多嵌入式应用所需的更精细的定位分辨率和更快的更新率。并且,和 GNSS 接收器提供绝对定位信息相反,IMU 提供距离已知起点的相对位置信息,因此这两种位置传感器可互为补充。

现代电子 IMU 以板安装电子元件的方式提供,以微机电系统 (MEMS) 技术为基础,因此体积小、重量轻且相对坚固。它们具有可变的自由度 (DOF) 能力,而且与 GNSS 接收器不同,IMU 不依赖无线电信号。IMU 的耗电量极低,可通过各种供应源获取具有广泛分辨率和精度的产品。

借助这些特性,IMU 可用于增强 GNSS 接收器的定位信息。

IMU 剖析

运动传感器对物理运动做出响应并进行检测,包括加速度、移动速率或距离等参数。惯性传感器是一种特殊的运动传感器。IMU 将各种运动传感器集成到一个器件中,可提供高精度定位信息。它们对传感器自身的运动做出响应。

IMU 整合了以下一种或多种运动传感器类型:

  • 陀螺仪传感器测量角度位置变化,通常以每秒度数表示。随时间进行角速率积分可测得行程角度,用于追踪方向变化。陀螺仪传感器提供一个、两个或三个轴,分别对应俯仰角、翻滚角和偏航角。陀螺仪追踪与重力无关的相对运动,因此传感器偏置或积分误差会造成称为“漂移”的位置误差。
  • 加速计传感器测量线性加速度,包括设备运动造成的加速度分量和重力造成的加速度。加速度以 G 为单位,是地球重力(1 G = 9.8 米/秒2)的倍数。加速计提供一个、两个或三个轴,分别定义 X、Y、Z 坐标系。通过计算测得的器件
  • 角度并进行重力补偿,可使用加速计数据来测量静态设备方向。复杂运动周期会令方向计算变得复杂。
  • 磁传感器测量磁场强度,通常以微特斯拉 (µT) 或高斯(100 µT = 1 高斯)为单位。移动电子设备中最常用的磁传感器是三轴霍尔效应磁力仪。根据地理位置,地球磁场幅度介于 25 到 65 µT 之间,且倾斜角度各不同。就美国大陆而言,强度介于 45 到 55 µT 之间,角度为 50 - 80 度。通过计算检测到的地球磁场角度,并将此测量的角度与加速计测量的重力进行比较,即可非常精确地测量出设备相对于地磁北极的航向。要获得正北航向,还需要根据当前经纬度进行调节。
  • 压力传感器测量差压或绝对压力,单位通常为百帕 (hPa) 或毫巴 (mbar),二者等效。海平面标准气压定义为 1013.25 hPa。海拔高度变化会导致检测到的环境气压发生相应变化,可用于追踪垂直运动。

使用 IMU 的运动追踪采用传感器融合,根据已知的起点和方向,推导单一、高精度的相对设备方向和位置估计值。传感器融合涉及使用 IMU 制造商或应用开发人员开发的复杂数学算法来组合 IMU 的各种运动传感器输出。使用传感器融合进行位置计算可得到以下测量结果:

  • 重力 – 具体而言地球重力,且不含设备感应到的由运动造成的加速度。当 IMU 静止时,加速计测量重力矢量。当 IMU 运动时,重力测量需要融合加速计和陀螺仪的数据,并减去运动造成的加速度。需要相对于地球来检测方向的应用可使用重力测量。
  • 线性加速度 – 等于加速计测得的设备加速度,但要减去重力矢量。IMU 线性加速度可用于测量三维空间中的运动。该值的精度取决于重力矢量的追踪精度。
  • 方向(海拔高度)– 欧拉角集合,包括偏航角、俯仰角、翻滚角,测量单位为度。
  • 旋转矢量 – 由加速计、陀螺仪和磁力仪传感器的数据组合得出。旋转矢量表示围绕特定轴的旋转角度。

IMU 可用于各种应用,包括消费品(手机)、医学(成像)、工业(机器人)和军工(航向跟踪)。所需 IMU 精度取决于应用要求。

六种自由度

自由度 (DOF) 指刚性物体在三维空间中的可能运动。3D 空间中只有六种 DOF:三个线性转换 DOF(前/后、上/下、左/右)和三个旋转 DOF(偏航、仰俯和翻滚)。无论运动有多复杂,空间内任何可能的刚性物体运动都能以六种基本 DOF 的组合来表示。

但在 IMU 领域内,有很多 9 DOF 甚至 10 DOF 传感器的叫法。考虑到总共只有六种用于描述运动的 DOF,这种命名规则会造成相当的困扰。9 DOF 这一数字命名源于累计 IMU 内所含各种传感器的 DOF。因此,如果 IMU 包含一个 3 DOF 加速计、一个 3 DOF 陀螺仪和一个 3 DOF 磁力仪,则称之为 9 DOF IMU。再增加一个气压传感器用于测量海拔高度,就会得到一个 10 DOF IMU。

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