传感器融合是一个 是一个在 几乎所有在几乎所有使用惯性导航技术的行业中,传感器融合都越来越普遍。在本博客中 我们将将深入探讨什么是传感器融合,以及它如何帮助提高导航和定位数据的质量。那么,什么是传感器融合?
传感器融合:定义
传感器融合是指从描述同一事件的两个不同传感器获取数据,并将其合并为一个数据集。
在大多数在线讨论中,该术语特指在现有设置中添加新传感器,例如在 INS 中添加激光雷达。但需要记住的是,即使是基本的 INS,也是在融合来自两个传感器的数据。它将 INS 内置的全球导航卫星系统(GNSS)接收器的数据与惯性测量单元(IMU)的数据结合在一起。 惯性测量单元(IMU)以创建单一输出。
顺便提一下,这就是为什么很多关于惯性导航的文献在谈到 INS 生成的位置数据时,都会提到 "位置估计值"。从技术上讲,这些数据永远无法保证 100%准确,因为它是基于各种因素的估计值。但在现实中,数据的准确性是令人难以置信的--尤其是如果您使用的是OxTS GNSS/INS,它是超过 25 年的专业技术融合 GNSS 和 IMU 数据的产物,适用于广泛的应用领域。
传感器融合有什么好处?
传感器融合有两大好处。首先是使最终数据输出更加可靠。每种传感器都有不同的性能特点和弱点。通过融合来自多个传感器的数据,您可以更有信心、更频繁地获得准确的最终输出结果。
考虑一个普通的 INS。内部的 IMU 很容易受到位置随时间漂移的影响,每个 IMU 都是如此。但全球导航卫星系统不会受到漂移的影响。因此,通过将两个数据点融合在一起,您可以使用全球导航卫星系统的位置更新来补偿 IMU 的漂移,使最终数据更加可靠。
这种关系也可以反过来。GNSS 可能不会像 IMU 那样漂移,但如果 INS 失去卫星信号,例如穿过隧道或躲在树下,那么从它那里获得的定位数据就会变得非常不可靠。而 IMU 不受这些影响。因此,当 GNSS 信号丢失时,IMU 的数据有助于弥补信号的不足,并使您的数据输出更加可靠。
传感器融合的第二个好处是提高了定位解决方案的通用性。如今,工程师们正致力于将各种传感器数据融合在一起,以创建可在各种环境中提供可靠数据的定位解决方案。包括激光雷达、基于摄像头的里程测量和车轮速度传感器在内的各种传感器正被用于克服导航难题。
因此,融合传感器数据的定位解决方案可以在更多环境中发挥作用。如果您正在构建一个解决方案作为您的企业产品,那么这种多功能性将开辟新的潜在市场;如果您正在构建一个用于现场的解决方案,那么增加的多功能性将使您有能力在更多地方进行操作。
总之,建立一个包含多个传感器的定位解决方案将为您提供更强大、更可靠的产品,无论有无全球导航卫星系统都能运行。
传感器融合是如何工作的?
大多数传感器融合的核心都是依靠卡尔曼滤波器来实现的。卡尔曼滤波器是一种算法,它允许系统根据各种其他数据点(如来自 IMU、GNSS 和轮速传感器的数据)估计变量(如位置)。最重要的是,卡尔曼滤波器可以获得每次测量的可靠性信息,从而忽略可能有误的数据。
粗略地说,它是这样工作的:
- 滤波器利用测量车辆的现有模型来预测其位置。
- 传感器向过滤器发送有关车辆位置和测量可靠性(或不确定性)的数据。
- 过滤器会对这些数据进行评估,并决定是使用这些数据更新预测结果,还是忽略这些数据。
因此,向卡尔曼滤波器发送可靠数据的传感器越多,滤波器预测准确的可能性就越大。
不过,在数据进入卡尔曼滤波器之前,必须将其转换成一个共同的参照系。不同的传感器可能会使用不同的参照系,以不同的方式报告相同的运动。例如,轮速传感器可能会以 "前进速度 = 30 米/秒 "的方式报告运动情况,而激光雷达可能会以 "X 轴速度 = 108 公里/小时 "的方式报告同一运动情况。为了比较所有数据,传感器融合引擎需要
- 将数据转换为共同的参照基准
- 将其转换为通用测量单位
- 考虑到传感器在车辆上的不同位置(也称为杠杆臂)
- 给每个测量值一个协方差(测量的不确定性)
在OxTS 系统中,这一切都可以通过我们的 GAD 界面进行控制,您可以通过该界面定义这些参数。现在让我们来看看传感器融合在不同行业中的应用。
汽车测试中的传感器融合
在汽车测试中,传感器融合主要用于两种环境:开放道路和室内。在开放道路上,由于距离较远,加之城市等环境各异,传统的全球导航卫星系统(GNSS)导航并不总能提供符合 NCAP 等标准所需的精确度。传感器融合改进了问题区域的导航输出,确保测试数据仍然足够准确有用。
当然,室内测试必须在没有任何 GNSS 信号的情况下进行。在这种环境下,IMU 数据必须得到其他传感器/数据的辅助,否则漂移会使最终输出几乎毫无用处。传感器融合技术可为 INS 提供其他信息源,用于估算其位置。
常用传感器
- 轮速传感器
- UWB 定位系统,如 Poxyx 2GAD
- 激光雷达
自主导航中的传感器融合
自主导航有多种形式,从室内仓储机器人到机器人水果采摘机。所有这些环境面临的共同挑战是在全球导航卫星系统信号不佳或不存在的情况下进行导航。传感器融合提供了答案,它从机器人上的感知传感器获取数据,并利用这些数据提高定位解决方案的稳健性。
常用传感器
- 激光雷达
- 摄像头测距
- 雷达
地理参照中的传感器融合
地理参照是将位置、导航和定时信息与来自另一个勘测传感器(激光雷达、雷达等)的数据相结合的行为,其目的是为勘测中的每个点提供准确的定位信息。如果没有地理参照,就无法使用勘测数据可靠地测量任何东西,也无法准确说明勘测中的东西在地球上的位置。
许多勘测依靠全球导航卫星系统提供精确的位置和定时数据,但勘测并不总是在全球导航卫星系统能见度良好的地区进行。因此,为了防止位置漂移并保持精度,需要使用其他定位信息源。
就像汽车测试一样,当 GNSS 信号受到建筑物、隧道或树木覆盖的干扰时,也可以使用其他传感器来稳定和提高定位精度。事实上,OxTS 最近开发了一种使用激光雷达数据提高城市峡谷定位精度的方法。
OxTS 我们使用激光雷达数据已经有一段时间了。 OxTS Georeferencer该软件是一款帮助测量人员对激光雷达数据进行地理参照的软件工具。利用这些专业知识,我们开发了 OxTS 激光雷达惯性测距或 LIO。OxTS LIO 使用来自 360° 视场激光雷达传感器的距离信息来计算测量车辆的相对速度。然后利用这些数据来限制城市峡谷中的位置漂移,使用户能够在 GNSS 条件恶劣的情况下长时间接收更精确的数据。
常用传感器
- 激光雷达(使用OxTS LIO)
- 轮速传感器
- 雷达
人人共享的传感器融合
一直以来,对于工程师来说,传感器融合的构建和管理都非常复杂。但在OxTS ,我们认为传感器融合必须尽可能简单,才能最大限度地发挥其优势。
因此,我们创建了 GAD 界面以及各种开箱即用的传感器融合解决方案,包括 Pozyx 2GAD和 OxTS LIO.每种解决方案都能全面解决项目中的传感器融合问题,或者为您提供一个相对轻松的传感器融合环境。
您可以浏览下面的博客,了解更多我们的工作,或与我们的团队讨论您的项目和问题。请使用下面的表格联系我们,我们会尽快与您联系!