劉元盛磁導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理磁感應(yīng)導(dǎo)航概述

磁導(dǎo)航主要通過在預(yù)定路線事先輻射磁條、磁道釘、通電的電纜等標(biāo)志物，自主移動(dòng)機(jī)器人和無人車通過檢測(cè)預(yù)先埋設(shè)的磁性標(biāo)注物的磁場(chǎng)來確定自身位置。磁條、磁道釘、通電的電纜會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。以磁條為例，當(dāng)磁導(dǎo)航傳感器位于磁條上方時(shí)，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)上的磁場(chǎng)傳感器能夠?qū)⑵渌谖恢玫拇艓?qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并傳輸給磁導(dǎo)航傳感器的控制芯片，控制芯片通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就能夠測(cè)出每個(gè)探測(cè)點(diǎn)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)磁條的磁場(chǎng)特性和傳感器采集到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信息，AGV就能夠確定磁條相對(duì)磁導(dǎo)航傳感器的位置。根據(jù)使用方式，我們將磁導(dǎo)航分為兩種類型：地標(biāo)傳感器和磁導(dǎo)航傳感器。地標(biāo)傳感器和多點(diǎn)位的磁導(dǎo)航傳感器相互配合，構(gòu)成完整的磁導(dǎo)航感知系統(tǒng)。下圖是一種典型的自主移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)引線鋪設(shè)方式。黑色部分是用于引導(dǎo)移動(dòng)平臺(tái)的磁條，移動(dòng)平臺(tái)根據(jù)磁條來確定行進(jìn)路線；藍(lán)色方塊是N極磁條，作為交叉路口標(biāo)志，告知移動(dòng)平臺(tái)到了交叉路口，需要根據(jù)預(yù)定的策略決定行進(jìn)方向；綠色方塊是S極磁條，作為轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，提醒移動(dòng)平臺(tái)即將進(jìn)入彎道以及彎道的方向。磁感應(yīng)導(dǎo)航概述轉(zhuǎn)彎標(biāo)志交叉路口標(biāo)志啟停工位磁感應(yīng)導(dǎo)航應(yīng)用磁感應(yīng)導(dǎo)航概述磁導(dǎo)航傳感器主要運(yùn)用于自主導(dǎo)航機(jī)器人、室內(nèi)室外巡檢機(jī)器人、自主導(dǎo)航運(yùn)輸車AGV(AGC)、自動(dòng)手推車等自主導(dǎo)航設(shè)備，完成自主導(dǎo)航設(shè)備的預(yù)設(shè)運(yùn)行路線檢測(cè)及定位。

優(yōu)點(diǎn)：1）相比基于光電傳感器和視覺傳感器的色條導(dǎo)航方式，磁導(dǎo)航可靠性更高，不受環(huán)境光和地面條件的影響；2）相比激光導(dǎo)航方式，磁導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、單體成本低廉。缺點(diǎn):需要在地面進(jìn)行敷設(shè),大量鋪設(shè)成本高，線路不能輕易改變。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，以下簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)）是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣導(dǎo)的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于推算導(dǎo)航方式，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度，經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到位移。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

陀螺儀和加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中不可缺少的核心測(cè)量器件。

陀螺分類：

按測(cè)量物理機(jī)制分：機(jī)械陀螺（液浮、撓性、靜電）

光學(xué)陀螺（激光、光纖）

微機(jī)電陀螺

按自由度個(gè)數(shù)分：?jiǎn)危p、三）自由度陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的零位偏值是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善慣性器件的性能，提高慣性組件的測(cè)量精度，特別是陀螺儀的測(cè)量精度，一直是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap-downInertialNavigationSystem，簡(jiǎn)寫SINS)是將加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)矩陣，即計(jì)算出載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而把載體坐標(biāo)系的加速度計(jì)信息轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系下的信息，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。由于其具有可靠性高、功能強(qiáng)、重量輕、成本低、精度高以及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，使得SINS已經(jīng)成為當(dāng)今慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主流。捷聯(lián)慣性測(cè)量組件(InertialMeasurementUnit，簡(jiǎn)寫IMU)是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心組件，IMU的輸出信息的精度在很大程度上決定了系統(tǒng)的精度。微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Micro-INS，Micro-Inertial-NavigationSystem）簡(jiǎn)稱“微慣導(dǎo)”，是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）傳感器技術(shù)的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。MEMS全稱MicroElectromechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng)。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、動(dòng)作器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。

微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要包含陀螺儀、加速度計(jì)、微處理器，根據(jù)實(shí)際需求還可增加磁力計(jì)、氣壓計(jì)等MEMS器件。微慣導(dǎo)系統(tǒng)是以低成本的通用MEMS器件為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用、誤差修正、誤差補(bǔ)償?shù)男枰Y(jié)合使用上述傳感器，充分利用每種傳感器的特長(zhǎng)，通過載體運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)、濾波算法設(shè)計(jì)、硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，達(dá)到高精度自主定位的目標(biāo)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在無人車中的應(yīng)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛中必不可少的關(guān)鍵部件慣性導(dǎo)航在自動(dòng)駕駛定位系統(tǒng)中具有不可替代性。慣導(dǎo)具有輸出信息不間斷、不受外界干擾等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可保證在任何時(shí)刻以高頻次輸出車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為決策中心提供連續(xù)的車輛位置、姿態(tài)信息，這是任何傳感器都無法比擬的。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是唯一可以輸出完備的六自由度數(shù)據(jù)的設(shè)備。慣導(dǎo)能夠計(jì)算x,y,z三個(gè)維度的平動(dòng)量（位置、速度、加速度）和轉(zhuǎn)動(dòng)量（角度、角速度），并可以通過觀測(cè)模型，推測(cè)其他傳感器狀態(tài)的測(cè)量值，再用預(yù)測(cè)值和測(cè)量值的差用于加權(quán)濾波。若要獲得實(shí)時(shí)的姿態(tài)角、方位角、速度和位置，慣導(dǎo)是唯一的選擇。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響；2）可全天候、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下；3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：1）由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；2）每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；3）設(shè)備