Xsens MTi AHRS 和 GNSS/INS汽车应用的最佳实践

 

Xsens MTi AHRS 和 GNSS/INS 产品用于各种汽车应用，例如自动驾驶汽车、卡车、穿梭巴士和火车。 Xsens MTi GNSS/INS 旨在使用融合的 IMU 和 GNSS 数据来改进运动中车辆的方向和位置估计。 这也有助于补偿瞬态加速度。 然而，当 GNSS 接收受限、在低速或静态条件下机动时，位置、速度和航向的估计可能会在汽车应用中受到挑战。 本文总结了我们对在汽车应用中使用 AHRS 和 GNSS/INS 产品的建议，包括机械安装和软件设置等方面，以便您的 MTi 产品能够达到最高性能。

可以在产品的数据表和手册 中找到用于配置和充分利用 MTi 设备的主要文档。

以下是一些额外的通用提示，可帮助您充分利用 AHRS 或 GNSS/INS 设备用于汽车应用：

滤波算法库(Filter Profiles) – 为应用选择正确的滤波器配置文件 将通过专门针对预期动态和外部干扰进行调整来提高 MTi 在该汽车环境中的性能。 有关汽车应用中推荐的过滤器配置文件，请参见下文：

• MTi-G-710:
  • Automotive滤波器配置文件假设 MTi-G-710 的航向也是 GNSS 对地航向（完整约束holonomic constraints ）。 这个假设适用于大多数汽车/地面车辆，除了那些经历侧滑的车辆，例如赛车、履带式车辆、一些铰接式车辆（取决于 MTi-G-710 的安装位置）和在崎岖地形上行驶的车辆。 因此，Automotive滤波器配置文件主要使用 GNSS 来确定航向角。 请注意，必须将 MTi 准确安装在移动方向上，以防止偏移。 当 GNSS 丢失时，航向角将由速度估计算法确定 45 秒，然后航向角仅由陀螺仪积分确定。 如果 GNSS 中断经常发生，或者如果您的 GNSS 可用性较差（例如在城市峡谷中），请考虑使用 HighPerformanceEDR滤波算法库。
  • GeneralMag 滤波器配置文件的航向角主要基于磁航向，以及 GNSS 加速度和加速度计的比较。 尽管这种组合使航向角比单独使用磁场计算航向角更加稳健，但均匀或经过校准的磁场对于良好的航向角性能至关重要。 其他参数的调整与通用滤波器配置文件中的相同。
  • HighPerformanceEDR 滤波器配置文件专为地面导航应用而设计，在这些应用中，GNSS 条件恶化和 GNSS 中断 (0-600 秒) 是常见的特征。 请注意，在 GNSS 中断期间，位置、速度和方向估计的准确性仍然会下降。 此滤波器配置文件不使用完整约束(holonomic constraints)，因此无需考虑安装问题。 目标应用：缓慢移动的地面车辆和机车导航。 当 MTi 不移动时，滤波器配置文件 HighPerformanceEDR 会自动估计陀螺仪零偏(gyro bias)。 传感器融合算法会自动检测 MTi 何时静止。 振动和非常缓慢的运动可能会影响陀螺零偏估计的准确性。
• MTi-300:
  • General 滤波器配置文件是默认设置。 它假设适度的动态和均匀的磁场。 外部磁畸变被认为相对较短（最长约 20 秒）。 均匀的磁环境和适当的磁校准对于良好的性能至关重要。
  • low_mag_dep滤波器配置文件假定动态相对较低，并且存在持久的外部磁失真。 此外，当难以进行非常好的磁校准时，请使用此过滤器配置文件。 使用 low_mag_dep 滤波器配置文件可用于限制航向漂移，同时不在均匀磁场中。
• MTi-680(G), MTI-670(G), MTi-7及MTi-8:
  • General/General_RTK 滤波器配置文件是默认设置。 MTi 的航向角输出在上电时初始化为 0 度，当 MTi 开始移动且 GNSS 数据可用时，它将收敛到以北为参考的航向角(North Referenced Yaw)。
  • GeneralMag/GeneralMag_RTK 滤波器配置文件的航向估计主要基于磁航向和 GNSS 测量。 均匀的磁环境和适当的磁校准对于良好的性能至关重要。 此滤波器配置文件在 MTi 通电后直接产生以北为参考的航向角输出。
• MTi-630(R):
  • Robust 基础滤波器配置文件适用于大多数应用，推荐配置文件用于汽车应用。 与其他基本滤波器配置文件相比，它的算法调校更具有鲁棒性（more robust tuning)。 当 MTi 是静态的时，在后台执行自动陀螺偏差估计(automatic gyro bias estimation)。
  • NorthReference航向行为假设一个均匀的磁场环境，可用于估计稳定的北参考航向。 使用此航向行为时，必须进行适当的磁校准。 如果这不可行，请考虑改用 FixedMagRef  航向行为。
• MTi-630(R) 提供了一种分层方法，允许用户分别选择基本滤波器配置文件和航向行为:

 

磁校准 -- 磁校准对于防止应用和环境中的铁磁材料扭曲磁场数据非常重要。 如果您选择了使用磁力计估计航向的滤波器配置文件，则正确的磁校准对于良好的性能至关重要。 有关减轻这些磁畸变的更多信息，请参见下文。 对于汽车应用，执行磁校准的最简单方法是在开车转几个（至少 3 个）圈运行Magnetic Field Mapper工具。 

参考系对齐(Alignment) -- 在汽车应用中安装 MTi 时，了解车辆参考系与传感器参考系的对齐情况非常重要。 默认情况下，MTi 使用 East-North-Up (ENU) 参考系进行其方向和速度估计。 方向作为参考坐标系和 MTi 的传感器坐标系（X-Y-Z 轴）之间的差异给出。 MTi 的传感器坐标系中提供了传感器数据（加速度、转速和磁场）。 要更改 MTi 的参考系，请参阅这篇关于更改或重置 MTi 参考坐标系的文章。

GNSS配置 -- 具有外部 GNSS 接收器支持的 MTi GNSS/INS 设备（MTi-7、MTi-8、MTi-670、MTi-680）可以配置为支持的 GNSS 接收器选项。 MTi-7、MTi-8、MTi-670、MTi-680都正式支持 u-blox MAX 系列 GNSS 接收器和任何使用 NMEA 字符串数据类型的接收器。 此外，还发布了 beta 固件版本以支持 u-blox ZED 和 u-blox NEO GNSS 接收器系列。 这些可以使用 MT Manager 中的 SetGnssReceiver 命令或通过 XDA 命令进行配置。 

初始航向Initial Heading -- 当开机且不使用 GeneralMag 过滤器配置文件时，Xsens MTi GNSS/INS 将输出 0 度的任意航向，直到它开始以 GNSS 定位移动并获得正确的北参考航向。 为了弥补这一点，可以使用估计的初始航向配置 MTi 的初始航向，直到使用 SetInitialHeading 函数获得良好的 GNSS固定解。 通过应用设备航向的初始估计，MTi 将保持更高的精度水平，直到 GNSS 数据允许设备估计正确的航向估计。 

NVIDIA驱动 -- Xsens MTi-G-710 得到 NVIDIA Drive AGX 平台的官方支持，是 NVIDIA Drive Hyperion 7 Developer Kit.开发者套件参考设计的惯性测量单元。 MTi-G-710 为 NVIDIA Drive AGX 提供高速 9 轴 IMU 数据、方向估计以及 GNSS 位置和速度，使 NVIDIA 的深度学习算法能够快速准确地对环境做出反应，从而实现更安全、更安全可靠的自动驾驶汽车。

振动处理 – MTi 以每通道 10kHz 的频率对 IMU 信号进行采样，使用带有锥/划桨补偿的捷联积分算法对其进行处理，从而在设备处于振动状态时减少误差。 一般来说，最好的做法是尽可能机械地隔离 MTi，特别是在以下条件下：

• 振动幅度大于加速度计的测量范围。 这将导致加速度计饱和，这可能会被观察为加速度计零电平中的“漂移”。 这将显示为错误的滚动/俯仰。
• 振动的频率高于加速度计的带宽。 理论上，这样的振动会被拒绝，但实际上它们仍然会引起混叠，尤其是在接近带宽限制的情况下。 这可以观察为低频振荡。 此外，高频振动往往具有较大的加速度幅度（见第 1 项）。

如果 MTi 遇到明显的振动，建议使用减振器对 MTi 进行机械阻尼，以移除将振动传递到 MTi 的金属对金属连接。 MTi-G-710 的推荐减振器经过高达 1200 Hz 的振动测试，由 Norelem 制造，零件号为 26102-00800855 。

建议将 MTi 在汽车应用中放置在驾驶员座椅下方，以最大程度地减少振动。 其他已使用的位置包括安装在行李箱中，与前轴或后轴对齐，或固定在乘客座椅的地板上。 无论位置如何，仍建议以机械方式抑制振动。

天线放置和天线偏移（杠杆臂） – GNSS 天线的推荐位置安装在车顶上，可以清楚地看到天空。 其他位置包括车辆的引擎盖或行李箱顶部。

随着 MTi-680(G) RTK GNSS/INS 的发布，Xsens 还引入了一个新的配置参数，称为 GNSS 杠杆臂(GNSS lever arm)。 GNSS 杠杆臂是获得可靠的厘米级位置、速度和方向数据的重要参数。 文章 GNSS 杠杆臂（天线偏移）及其在 GNSS/INS 传感器融合算法中的作用对 GNSS 杠杆臂进行了更深入的分析。

估算 GNSS/INS 产品航向的最低速度 –当使用 GNSS 和 MTi 的加速度计来估计航向时，建议保持 7 m/s 的最小速度，加速度和运动越大，航向估计性能越好。