基于多传感器融合的位姿检测系统发展现

　　摘 要：基于多传感器融合的位姿检测系统不仅提供高精度的位姿信息和高效的稳定性, 还能有效降低检测成本。在工业生产、健康监测、军事等领域具有极大的应用潜力。本文浅析了多传感器融合的位姿检测系统在国内外的发展历程和现状, 以及未来发展方向。

　　关键词：信息融合; 位姿检测; 发展现状

　　基金： 山东劳动职业技术学院科技类项目:基于多传感器融合的位姿检测系统 (2018KJ01);

　　1 研究背景及意义

　　所谓位姿检测是指实时测量待检测物体的俯仰、横滚、偏航三维姿态信息以及角速度、角加速度等辅助信息。其在健康监控 (如老年人跌倒检测) 、机器人运动控制、汽车电子、交互式游戏、虚拟运动场景等领域存在着广泛应用。目前位姿检测方法层出不穷, 大体可以分为基于惯性传感器、磁阻传感器、压力传感器、全球定位系统 (GPS) 等设备采集到的信息进行位姿推断, 以及利用检测载体周围环境信息如红外温度、视频信息等的变化进行姿态的解析。

　　随着科技的发展, 微电子机械系统技术 (MEMS) 得到了突飞猛进的进步, 进而产生了一大批新一代高性能的惯性传感器, 其主要功能是实时采集运动物体的加速度、角速度、角度等姿态信息, 然而MEMS惯性传感器存在着漂移误差等问题;磁阻传感器作为一种通过测量地球磁场来确定待测物体的姿态信息具有较好的灵敏度和零漂误差, 但是当其受到其他磁场的干扰时产生较大的误差。除此之外, 该方法只能获得载体的航向角信息;利用GPS的相位干涉原理和天线布阵技术可以获得目标物的姿态信息, 但是无法满足室内环境和小型化的需求;另外采用检测载体周围环境信息外温的变化进行位姿解析的方法因外界环境变化而带来较大测量误差。伴随着工业信息化快速发展, 精准、稳定的姿态检测在军事、工业等领域需求不断扩大, 并提出了更高要求。

　　采用单一检测手段无法满足高精度、低扰动的要求, 因此基于多传感器信息融合的姿态检测系统逐渐受到人们的青睐与关注。信息融合概念最早于1973年由美国海军提出, 通过融合多个独立声呐探测器跟踪敌方潜艇, 表现出较好的性能。随着技术的完善, 信息融合技术逐渐成为各个领域发展的新方向。基于多传感器融合的姿态检测技术就是在一个待测对象中采用两种或者两种以上的姿态检测方法, 综合融合多种姿态检测优点, 相互配合。充分发挥每种姿态检测方法的优势, 同时弥补各自在检测中的不足。同时, 扩大检测范围, 丰富姿态检测的内容。对传感器的输出特性进行融合后, 需要通过数据融合算法进行再处理已得到精准的姿态信息。采用融合技术不仅能够实现低成本的设计需要还能够有效改善其精度, 扩展其功能, 实现实时性的优化估计。

　　2 研究现状

　　国内外的研究者早已开展了多传感器融合位姿检测的研究。随着研究的深入, 涌现出一大批满足高精度需求的成果。1997年, 美国成功发射了火星登陆车。其位姿检测系统主要由陀螺仪、加速度计、测距仪、电子罗盘、图像采集摄像机等传感器组成。利用扩展卡尔曼滤波算法、导航信息融合算法和航向推测法进行位姿检测。这是最早进行实际应用也是较为成功的多传感器融合姿态检测案例。张小驰等人设计了一种基于多传感器融合的摔倒检测算法。采用加速度传感器、电子罗盘与微处理器组成的数据采集模块, 将采集到的数据通过无线模块传输到上位机进行分析和处理, 根据阈值进行异常姿态检测。最终, 综合加速度和姿态角的分析结果给出准确的检测结论。

　　孙长库等人于2017年提出了基于惯性传感器和单目视觉的组合检测姿态方法。通过实验得到最终的仰角、横滚角和航偏角的均方根误差分别为0.1561°、0.2017°和0.3624°。较小的均方根误差表明其具有较好的稳定性。尽管基于视觉的姿态检测技术还不是很成熟, 但是利用多传感器融合技术获取了精准的位置信息。多传感器信息融合姿态检测技术也广泛应用于水下机器人的航向控制系统中。澳大利亚悉尼大学的机器人研究中心于2005年研制了一种用于勘察海底珊瑚礁环境的水下无人潜航器。基于内部的光纤陀螺仪、罗盘和倾斜传感器进行信息融合, 同时处理掉陀螺仪的噪声干扰并进行温度补偿处理, 得到潜航器正确的偏航角以进行航向控制。

　　3 小结

　　多传感器融合位姿检测技术为实现高精度、高稳定性位姿检测提供可能。对于航空、航海等技术发展具有深远影响。然而, 目前高精度姿态传感器价格昂贵, 在低成本检测原件基础上借助数据融合算法是提高检测精度的有效手段。多性能、多功能的传感器融合结构是未来多传感器面临的主要方向。目前的融合算法各自都有不足, 如何将多种算法融合起来, 构建合理的算法结构是多传感器融合面临的一个难题。

　　参考文献

　　[1]张小驰, 陈天华, 许继平等.基于多传感器融合的摔倒检测算法的研究[J].计算机测量与控制, 2015, 23 (06) :2237-2240.[2]孙长库, 徐怀远, 张宝尚, 王鹏, 郭肖亭.基于IMU与单目视觉融合的姿态测量方法[J].天津大学学报 (自然科学与工程技术版) , 2017, 50 (03) :313-320.[3]Williams S, Mahon I.Design of an Unmanned Underwater Vehicle for Reef Surveying[C].IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Manly NSW, Australia.2005 (06) .[4]李帅阳, 武凌羽, 张长毛等.基于多传感器的微型四旋翼室内自主悬停研究[J].应用科技, 2017, 44 (06) :60-65.[5]张晓兵.独轮机器人姿态检测信息融合算法的研究[D].哈尔滨工业大学, 2015.

　　推荐阅读：《化学传感器》(季刊)创刊于1981年，是经国家科委批准，中国科学技术协会主管、中国仪器仪表学会主办的专业科技刊物。

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