隨著自主機(jī)器人被部署在越來越具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，它們的導(dǎo)航系統(tǒng)需要更加強(qiáng)大和可靠，尤其是在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)被拒絕或性能下降的條件下。傳統(tǒng)的 GNSS/INS 系統(tǒng)往往達(dá)不到這些性能要求，需要額外的輔助傳感器。
MicroStrain by HBK 的最新慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 3DM-CV7-INS 通過提供通用外部測(cè)量輔助接口來提高 GNSS 中斷性能，從而解決了這一問題。該輔助接口不僅支持 GNSS 位置和速度等標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航測(cè)量，還支持車身框架速度和車輪速度等更側(cè)重于機(jī)器人的測(cè)量。
傳統(tǒng)上，機(jī)器人依靠攝像頭和激光雷達(dá)等光學(xué)傳感器進(jìn)行感知和導(dǎo)航。然而，毫米波雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步使雷達(dá)成為越來越受歡迎的機(jī)器人導(dǎo)航選擇。雷達(dá)是一種簡(jiǎn)單的固態(tài)技術(shù)，并且能夠應(yīng)對(duì)可能影響光學(xué)傳感器的環(huán)境挑戰(zhàn)（如煙霧）。
通過將 CV7-INS 與雷達(dá)速度測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，可以顯著提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中斷期間的導(dǎo)航性能。這種集成方法有助于滿足在傳統(tǒng) GNSS/INS 系統(tǒng)可能無法充分發(fā)揮作用的挑戰(zhàn)性環(huán)境中對(duì)可靠導(dǎo)航日益增長(zhǎng)的需求。
本文展示了一個(gè)將雷達(dá)速度輔助與 CV7-INS 集成在一起的示例系統(tǒng)。該項(xiàng)目的代碼是開源的，可在此處找到。
MicroStrain CV7-INS 是一款戰(zhàn)術(shù)級(jí)可嵌入式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以通過板載擴(kuò)展卡爾曼濾波器整合外部輔助測(cè)量數(shù)據(jù)，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的位置和速度。該濾波器將來自系統(tǒng)內(nèi)部傳感器（包括 IMU、壓力傳感器和磁力計(jì)）的數(shù)據(jù)與來自外部傳感器（如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器）的時(shí)間同步數(shù)據(jù)融合在一起。除了全局位置和速度等標(biāo)準(zhǔn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)輔助測(cè)量外，CV7 還支持三維體框速度輔助測(cè)量。本示例演示了與雷達(dá)速度傳感器的集成，但這種輔助測(cè)量可由各種其他導(dǎo)航傳感器生成，包括激光雷達(dá)或視覺里程測(cè)量、光流或車輪速度。
CV7-INS 結(jié)構(gòu)
CV7-INS 通過 ROS2 接口與 UBlox ZED-F9P GNSS 接收器和 Smartmicro DRVEGRD 152 汽車?yán)走_(dá)傳感器集成。GNSS 接收器提供全局位置和速度測(cè)量值，而雷達(dá)則提供原始的 4D 點(diǎn)云（x、y、z、速度）。雷達(dá)點(diǎn)云首先轉(zhuǎn)換為三維車身速度測(cè)量值，然后再傳輸?shù)?CV7-INS。該集成系統(tǒng)安裝在汽車測(cè)試平臺(tái)上，在郊區(qū)環(huán)境中運(yùn)行。
測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)
在 CV7-INS 導(dǎo)航濾波器處理雷達(dá)點(diǎn)云之前，需要將其轉(zhuǎn)換為更緊湊的導(dǎo)航輔助測(cè)量值。利用每個(gè)被跟蹤雷達(dá)目標(biāo)的笛卡爾位置和徑向速度，可以從每個(gè)雷達(dá)點(diǎn)云估算出體幀速度。然后利用非線性最小二乘求解器估算出體幀速度測(cè)量值及其相關(guān)測(cè)量協(xié)方差。采用魯棒誤差模型可減少周圍環(huán)境中異常值和動(dòng)態(tài)障礙物的影響。
為了評(píng)估雷達(dá)速度性能，使用了雙天線和支持 RTK 的 MicroStrain GQ7-GNSS/INS 作為地面實(shí)況參考系統(tǒng)。由于點(diǎn)云的幾何形狀（大部分點(diǎn)沿車輛 X 軸分布），Y 軸和 Z 軸速度的可觀測(cè)性受到一定限制，導(dǎo)致沿這些軸的精度降低。
| 車身框架軸 | 精度（米/秒） |
| x | 0.09 |
| y | 0.16 |
| z | 0.35 |
為評(píng)估雷達(dá)測(cè)速輔助在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)失效情況下的優(yōu)勢(shì)，在后處理中模擬了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的中斷情況。為了對(duì)中斷性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算，在后處理中模擬了一系列 60 秒的 GNSS 中斷。使用與 CV7-INS 實(shí)時(shí)運(yùn)行完全相同的 EKF 算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了 10 次重新處理，每次都使用不同的 GNSS 中斷時(shí)間窗口。圖 1、圖 2 和圖 3 顯示了其中一種模擬中斷情況下的導(dǎo)航性能。
圖 1：GNSS 故障示例。黃色：地面實(shí)況，藍(lán)色：中斷期間雷達(dá)輔助解決方案，紅色=中斷期間自由慣性綜合解決方案
圖 2：60 秒中斷期間的絕對(duì)誤差
圖 3：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中斷的細(xì)節(jié)區(qū)域
中斷性能被定義為每個(gè)時(shí)間步的位置誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖 4 顯示了兩種傳感器配置的橫向?qū)Ш叫阅堋Ｅc僅使用慣性的解決方案相比，雷達(dá)輔助的 GNSS 故障導(dǎo)航性能提高了 93%。
圖 4：標(biāo)準(zhǔn)偏差圖
| 中斷性能（米） | 10s | 30s | 60s |
| 僅 IMU | 1.77 | 6.74 | 25.84 |
| IMU + 雷達(dá) | 0.72 | 1.15 | 1.72 |
本示例表明，將雷達(dá)速度測(cè)量集成到 CV7-INS 導(dǎo)航濾波器中，可將 GNSS 中斷期間的導(dǎo)航性能提高 93%，而不需要慣性集成。隨著對(duì)可靠的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，CV7-INS 靈活的輔助界面可為機(jī)器人應(yīng)用提供額外的導(dǎo)航性能，而傳統(tǒng)的 GNSS/INS 系統(tǒng)則無法滿足這些需求。
? 3DM-GV7-INS 戰(zhàn)術(shù)級(jí)加固慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Certus MEMS GNSS/INS 傳感器
