基于多傳感器融合的位姿檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

摘 要：基于多傳感器融合的位姿檢測(cè)系統(tǒng)不僅提供高精度的位姿信息和高效的穩(wěn)定性，還能有效降低檢測(cè)成本。在工業(yè)生產(chǎn)、健康監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。本文淺析了多傳感器融合的位姿檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，以及未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：信息融合;位姿檢測(cè);發(fā)展現(xiàn)狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.148

1 研究背景及意義

所謂位姿檢測(cè)是指實(shí)時(shí)測(cè)量待檢測(cè)物體的俯仰、橫滾、偏航三維姿態(tài)信息以及角速度、角加速度等輔助信息。其在健康監(jiān)控（如老年人跌倒檢測(cè)）、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、汽車電子、交互式游戲、虛擬運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景等領(lǐng)域存在著廣泛應(yīng)用。目前位姿檢測(cè)方法層出不窮，大體可以分為基于慣性傳感器、磁阻傳感器、壓力傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）等設(shè)備采集到的信息進(jìn)行位姿推斷，以及利用檢測(cè)載體周圍環(huán)境信息如紅外溫度、視頻信息等的變化進(jìn)行姿態(tài)的解析。

隨著科技的發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，進(jìn)而產(chǎn)生了一大批新一代高性能的慣性傳感器，其主要功能是實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)物體的加速度、角速度、角度等姿態(tài)信息，然而MEMS慣性傳感器存在著漂移誤差等問題;磁阻傳感器作為一種通過測(cè)量地球磁場(chǎng)來確定待測(cè)物體的姿態(tài)信息具有較好的靈敏度和零漂誤差，但是當(dāng)其受到其他磁場(chǎng)的干擾時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。除此之外，該方法只能獲得載體的航向角信息;利用GPS的相位干涉原理和天線布陣技術(shù)可以獲得目標(biāo)物的姿態(tài)信息，但是無法滿足室內(nèi)環(huán)境和小型化的需求;另外采用檢測(cè)載體周圍環(huán)境信息外溫的變化進(jìn)行位姿解析的方法因外界環(huán)境變化而帶來較大測(cè)量誤差。

伴隨著工業(yè)信息化快速發(fā)展，精準(zhǔn)、穩(wěn)定的姿態(tài)檢測(cè)在軍事、工業(yè)等領(lǐng)域需求不斷擴(kuò)大，并提出了更高要求。采用單一檢測(cè)手段無法滿足高精度、低擾動(dòng)的要求，因此基于多傳感器信息融合的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)逐漸受到人們的青睞與關(guān)注。信息融合概念最早于1973年由美國(guó)海軍提出，通過融合多個(gè)獨(dú)立聲吶探測(cè)器跟蹤敵方潛艇，表現(xiàn)出較好的性能。隨著技術(shù)的完善，信息融合技術(shù)逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的新方向?；诙鄠鞲衅魅诤系淖藨B(tài)檢測(cè)技術(shù)就是在一個(gè)待測(cè)對(duì)象中采用兩種或者兩種以上的姿態(tài)檢測(cè)方法，綜合融合多種姿態(tài)檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，相互配合。充分發(fā)揮每種姿態(tài)檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)彌補(bǔ)各自在檢測(cè)中的不足。同時(shí)，擴(kuò)大檢測(cè)范圍，豐富姿態(tài)檢測(cè)的內(nèi)容。對(duì)傳感器的輸出特性進(jìn)行融合后，需要通過數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行再處理已得到精準(zhǔn)的姿態(tài)信息。采用融合技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的設(shè)計(jì)需要還能夠有效改善其精度，擴(kuò)展其功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的優(yōu)化估計(jì)。

2 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的研究者早已開展了多傳感器融合位姿檢測(cè)的研究。隨著研究的深入，涌現(xiàn)出一大批滿足高精度需求的成果。

1997年，美國(guó)成功發(fā)射了火星登陸車。其位姿檢測(cè)系統(tǒng)主要由陀螺儀、加速度計(jì)、測(cè)距儀、電子羅盤、圖像采集攝像機(jī)等傳感器組成。利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法、導(dǎo)航信息融合算法和航向推測(cè)法進(jìn)行位姿檢測(cè)。這是最早進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用也是較為成功的多傳感器融合姿態(tài)檢測(cè)案例。

張小馳等人設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器融合的摔倒檢測(cè)算法。采用加速度傳感器、電子羅盤與微處理器組成的數(shù)據(jù)采集模塊，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)閾值進(jìn)行異常姿態(tài)檢測(cè)。最終，綜合加速度和姿態(tài)角的分析結(jié)果給出準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)論。

孫長(zhǎng)庫等人于2017年提出了基于慣性傳感器和單目視覺的組合檢測(cè)姿態(tài)方法。通過實(shí)驗(yàn)得到最終的仰角、橫滾角和航偏角的均方根誤差分別為 0.1561°、0.2017°和 0.3624°。較小的均方根誤差表明其具有較好的穩(wěn)定性。盡管基于視覺的姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)還不是很成熟，但是利用多傳感器融合技術(shù)獲取了精準(zhǔn)的位置信息。

多傳感器信息融合姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人的航向控制系統(tǒng)中。澳大利亞悉尼大學(xué)的機(jī)器人研究中心于2005年研制了一種用于勘察海底珊瑚礁環(huán)境的水下無人潛航器。基于內(nèi)部的光纖陀螺儀、羅盤和傾斜傳感器進(jìn)行信息融合，同時(shí)處理掉陀螺儀的噪聲干擾并進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理，得到潛航器正確的偏航角以進(jìn)行航向控制。

3 小結(jié)

多傳感器融合位姿檢測(cè)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性位姿檢測(cè)提供可能。對(duì)于航空、航海等技術(shù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。然而，目前高精度姿態(tài)傳感器價(jià)格昂貴，在低成本檢測(cè)原件基礎(chǔ)上借助數(shù)據(jù)融合算法是提高檢測(cè)精度的有效手段。多性能、多功能的傳感器融合結(jié)構(gòu)是未來多傳感器面臨的主要方向。目前的融合算法各自都有不足，如何將多種算法融合起來，構(gòu)建合理的算法結(jié)構(gòu)是多傳感器融合面臨的一個(gè)難題。

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課題來源：山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技類項(xiàng)目：基于多傳感器融合的位姿檢測(cè)系統(tǒng)（2018KJ01）

作者簡(jiǎn)介：劉珍娜（1987-），女，山東巨野人，碩士研究生，初級(jí)，研究方向：機(jī)器人。