本文摘要：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(lái)發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞
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(lái)發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：信息融合; 位姿檢測(cè); 發(fā)展現(xiàn)狀
基金： 山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技類(lèi)項(xiàng)目:基于多傳感器融合的位姿檢測(cè)系統(tǒng) (2018KJ01);
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(chē)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?chē)h(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(wèn)題;磁阻傳感器作為一種通過(guò)測(cè)量地球磁場(chǎng)來(lái)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(xiàn)布陣技術(shù)可以獲得目標(biāo)物的姿態(tài)信息, 但是無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境和小型化的需求;另外采用檢測(cè)載體周?chē)h(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(lái)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(wú)法滿(mǎn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(mǎn)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(chē)。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(pán)、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(pán)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(kù)等人于2017年提出了基于慣性傳感器和單目視覺(jué)的組合檢測(cè)姿態(tài)方法。通過(guò)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(jué)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(wú)人潛航器�；趦�(nèi)部的光纖陀螺儀、羅盤(pán)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(lái)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(lái), 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。
參考文獻(xiàn)
[1]張小馳, 陳天華, 許繼平等.基于多傳感器融合的摔倒檢測(cè)算法的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015, 23 (06) :2237-2240.[2]孫長(zhǎng)庫(kù), 徐懷遠(yuǎn), 張寶尚, 王鵬, 郭肖亭.基于IMU與單目視覺(jué)融合的姿態(tài)測(cè)量方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)與工程技術(shù)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]李帥陽(yáng), 武凌羽, 張長(zhǎng)毛等.基于多傳感器的微型四旋翼室內(nèi)自主懸停研究[J].應(yīng)用科技, 2017, 44 (06) :60-65.[5]張曉兵.獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)信息融合算法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.
推薦閱讀：《化學(xué)傳感器》(季刊)創(chuàng)刊于1981年，是經(jīng)國(guó)家科委批準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)主辦的專(zhuān)業(yè)科技刊物。
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