隨著自主機器人被部署在越來越具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，它們的導航系統(tǒng)需要更加強大和可靠，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 的最新慣性導航系統(tǒng) 3DM-CV7-INS 通過提供通用外部測量輔助接口來提高 GNSS 中斷性能，從而解決了這一問題。該輔助接口不僅支持 GNSS 位置和速度等標準導航測量，還支持車身框架速度和車輪速度等更側(cè)重于機器人的測量。
傳統(tǒng)上，機器人依靠攝像頭和激光雷達等光學傳感器進行感知和導航。然而，毫米波雷達技術(shù)的進步使雷達成為越來越受歡迎的機器人導航選擇。雷達是一種簡單的固態(tài)技術(shù)，并且能夠應對可能影響光學傳感器的環(huán)境挑戰(zhàn)（如煙霧）。
通過將 CV7-INS 與雷達速度測量技術(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)境中對可靠導航日益增長的需求。
本文展示了一個將雷達速度輔助與 CV7-INS 集成在一起的示例系統(tǒng)。該項目的代碼是開源的，可在此處找到。
MicroStrain CV7-INS 是一款戰(zhàn)術(shù)級可嵌入式慣性導航系統(tǒng)。它可以通過板載擴展卡爾曼濾波器整合外部輔助測量數(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）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）的時間同步數(shù)據(jù)融合在一起。除了全局位置和速度等標準全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)輔助測量外，CV7 還支持三維體框速度輔助測量。本示例演示了與雷達速度傳感器的集成，但這種輔助測量可由各種其他導航傳感器生成，包括激光雷達或視覺里程測量、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 汽車雷達傳感器集成。GNSS 接收器提供全局位置和速度測量值，而雷達則提供原始的 4D 點云（x、y、z、速度）。雷達點云首先轉(zhuǎn)換為三維車身速度測量值，然后再傳輸?shù)?CV7-INS。該集成系統(tǒng)安裝在汽車測試平臺上，在郊區(qū)環(huán)境中運行。
測試系統(tǒng)架構(gòu)
在 CV7-INS 導航濾波器處理雷達點云之前，需要將其轉(zhuǎn)換為更緊湊的導航輔助測量值。利用每個被跟蹤雷達目標的笛卡爾位置和徑向速度，可以從每個雷達點云估算出體幀速度。然后利用非線性最小二乘求解器估算出體幀速度測量值及其相關測量協(xié)方差。采用魯棒誤差模型可減少周圍環(huán)境中異常值和動態(tài)障礙物的影響。
為了評估雷達速度性能，使用了雙天線和支持 RTK 的 MicroStrain GQ7-GNSS/INS 作為地面實況參考系統(tǒng)。由于點云的幾何形狀（大部分點沿車輛 X 軸分布），Y 軸和 Z 軸速度的可觀測性受到一定限制，導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 |
為評估雷達測速輔助在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)失效情況下的優(yōu)勢，在后處理中模擬了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的中斷情況。為了對中斷性能進行統(tǒng)計估算，在后處理中模擬了一系列 60 秒的 GNSS 中斷。使用與 CV7-INS 實時運行完全相同的 EKF 算法，對數(shù)據(jù)進行了 10 次重新處理，每次都使用不同的 GNSS 中斷時間窗口。圖 1、圖 2 和圖 3 顯示了其中一種模擬中斷情況下的導航性能。
圖 1：GNSS 故障示例。黃色：地面實況，藍色：中斷期間雷達輔助解決方案，紅色=中斷期間自由慣性綜合解決方案
圖 2：60 秒中斷期間的絕對誤差
圖 3：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中斷的細節(jié)區(qū)域
中斷性能被定義為每個時間步的位置誤差標準偏差。圖 4 顯示了兩種傳感器配置的橫向?qū)Ш叫阅?。與僅使用慣性的解決方案相比，雷達輔助的 GNSS 故障導航性能提高了 93%。
圖 4：標準偏差圖
| 中斷性能（米） | 10s | 30s | 60s |
| 僅 IMU | 1.77 | 6.74 | 25.84 |
| IMU + 雷達 | 0.72 | 1.15 | 1.72 |
本示例表明，將雷達速度測量集成到 CV7-INS 導航濾波器中，可將 GNSS 中斷期間的導航性能提高 93%，而不需要慣性集成。隨著對可靠的機器人導航系統(tǒng)的需求不斷增長，CV7-INS 靈活的輔助界面可為機器人應用提供額外的導航性能，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)級加固慣性導航系統(tǒng)
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航系統(tǒng)
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳感器
? Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 傳感器
? Advanced Navigation Certus MEMS GNSS/INS 傳感器
