(東南大學信息科學與工程學院 江蘇 南京 210000)

目前，隨著智能車輛的出現(xiàn)和進一步研發(fā)，GPS全球定位系統(tǒng)和慣性導航成為車輛定位領域的兩大主要技術。其中GPS技術，當遇到遮蔽時，會出現(xiàn)無法搜索衛(wèi)星定位的情況。而慣性導航技術則因其依賴性弱，隱蔽性強，更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好的特點，被認為是最有發(fā)展前途的一種導航系統(tǒng)。慣性導航系統(tǒng)是一種利用慣性傳感器測量載體的比力及角速度信息，并結合給定的初始條件實時推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的自主式導航系統(tǒng)，屬于一種推算導航方式。目前，還未有任何一種其它導航手段能夠完全代替慣性導航系統(tǒng)，這也是當今國內外軍事技術發(fā)展的熱點之一。

1 基于陀螺儀和加速度器進行慣性定位的基本原理

1.1慣性定位的基本原理。常規(guī)慣性定位系統(tǒng)采用加速度計和陀螺儀傳感器來測量載體參數(shù)，其中，陀螺儀用來形成一個定位坐標系使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度經過對時間的一次和分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離，從而達到對載體導航定位的目的。

捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)是將慣性器件陀螺儀、加速度計構成的慣性測量單元直接與載體固聯(lián)，測量得到的載體角速度與線運動參數(shù)是沿載體固聯(lián)的坐標軸上的分量。導航計算機通過計算“姿態(tài)矩陣”可以將加速度信息轉換到慣性坐標系或當?shù)氐乩碜鴺讼?，從而實現(xiàn)“數(shù)學平臺”，然后再進行速度及位置計算。

1.2加速度計原理。加速度傳感器利用重力加速度，可以檢測設備的傾斜角度，加速度計在慣性參照系中用于測量小車的線加速度，但只能測量相對于小車運動方向的加速度。通過以慣性參照系中小車初始方位作為初始條件，對加速度進行積分運算，就可以時刻得到小車的相對位移。

1.3角速度傳感器-陀螺儀原理。在四軸上安裝陀螺儀，可以測量四軸傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到四軸的傾角。由于陀螺儀輸出的是四軸的角速度，不會受到四軸振動影響。

加速度計在較長時間的測量值是正確的，然而在較短時間內由于信號噪聲及運動方向加速度的存在，會有很大的誤差。陀螺儀測得的是角速度，在較短時間內則比較準確，而較長時間則會有積分漂移產生誤差。因此，需要兩者相互調整融合來確保姿態(tài)角的正確。

2 方案設計

本文選擇使用MPU6050傳感器、超聲波、藍牙器件，并利用Arduino平臺和捷聯(lián)式慣性導航方式來實現(xiàn)小車的定位。

2.1、數(shù)據獲取及傳輸。將MPU6050傳感器直接與小車固聯(lián)，利用MPU6050六軸運動處理模塊，首先采集三軸加速度，將數(shù)據傳回計算機平臺用于計算歐拉角。

使用Arduino平臺來完成運行算法代碼的編寫，用于控制智能小車的運動、自動避障以及進行傳回數(shù)據的計算。

利用超聲波簡單易用、性能穩(wěn)定、靈敏度高、測距距離精確的特點進行小車的測距，實現(xiàn)自動避障。

安裝藍牙用于小車與電腦的通信實現(xiàn)數(shù)據傳輸。

2.2、數(shù)據處理。由慣性定位原理可以通過測量的加速度來計算小車的相對位移，為了實現(xiàn)更精準的定位，繼續(xù)研究陀螺儀和加速度計的誤差模型。通過分析可以提出誤差模型，進行誤差補償。影響陀螺儀誤差的主要因素是零點漂移誤差，而影響加速度計誤差的主要因素是溫度漂移誤差。

陀螺儀誤差模型為：

?h=εc+ ?r+ ?g(1)

其中， ?c為零點偏移， ?r為隨機白噪聲，均方差為常值 ?g為階馬爾科夫過程漂移。

加速度計誤差模型為：

λ=λr+ ?a(2)

其中：λr為溫度漂移，均方差為常值 ?a為以及隨機馬爾科夫過程漂移。

通過計算可得出加速度計的綜合誤差是：

又根據陀螺儀角度計算公式可以得到陀螺儀角度誤差為：

最后將處理過后的數(shù)據傳入串口中，并存儲在.txt文件中用Matlab讀取和處理，在Matlab中將傳入數(shù)據進行壓縮并畫出軌跡圖。

3 成果展示

實驗結果為小車可以通過遙控器行走并將其軌跡在電腦上顯示，通過結果圖可看出小車能夠實現(xiàn)自動避障和定位的功能。

4 總結

雖然慣性定位系統(tǒng)長期的精度性還有待提高，但對于小車這樣的小范圍內運動的機器來說，基于陀螺儀和加速度計的慣性自主定位導航系統(tǒng)，不僅定位可靠，精度也較高，并且價格低廉，可以應用

于GPS盲區(qū)對汽車的定位或室內輪式巡航機器人的定位與導航。慣性傳感器技術的不斷發(fā)展和優(yōu)化使慣性導航系統(tǒng)正向小型化、捷聯(lián)化、組合導航的方向發(fā)展。多系統(tǒng)融合，自動故障檢測、隔離，智能導航和友好的人機交互界面將是未來導航系統(tǒng)的特點。由此可見，慣性定位導航系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑫谖磥韺Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)中扮演重要角色。