[发明专利]惯性传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种惯性传感装置，具体涉及一种安装在脚部或鞋上的惯性传感器的个人导航系统，可以用在室内和室外环境，属于惯性导航技术领域。

背景技术

本发明所述的惯性传感器包括加速度计和陀螺仪，当然，还可以再包含地磁传感器。

个人导航系统可以应用在多种应用中。例如：在军事作战或对抗演习中跟踪和引导军事人员的移动；在特警执行反恐或解救人质过程跟踪和引导参战人员的位置；在火灾或事故现场跟踪和定位消防员的位置；通过个人行走采集室内地图等。特别的针对消防员的应用，由于缺少有效的室内导航和跟踪系统而使得消防员们在浓烟的火场中迷路失踪以致失去生命。因此，对于可以在室内使用的定位导航系统一直有强烈的需求，这类系统也可应用于军事作战、对抗演习、反恐营救、火场搜救和室内地图绘制等领域。

虽然用于室外的卫星导航技术如GPS已经得到广泛的使用，但在室内用于导航，它的信号往往是不可用的。能够在室内环境使用的导航系统往往是价格昂贵或定位精度不理想的。例如，在建筑物内安装射频标记基站的方法往往由于安装和维护的问题导致使用这类系统的障碍；其次，在建筑物内射频信号往往受到遮挡、反射、衰减或多路径效应导致定位精度下降或覆盖范围不足；另外，多层的建筑物环境往往需要三维定位以实现准确定位所在楼层。

还有一类导航系统是惯性导航系统（INS），这是一种使用计算单元和惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU，内置加速度计和陀螺仪，有时也包含地磁传感器）的设备，在不需要额外参考的情况下经由初始位置、方向和速度推算移动物体的位置、方向和速度的连续工作的导航设备，这种导航方法不依赖于外部信号，如GPS或其它射频信号等。但是最大问题在于会有累计误差，因为惯性测量单元测量的是加速度和角速度值，加速度值积分后得到速度，再次积分得到运动的距离，而角速度值积分后得到方向的变化量。由于积分操作，惯性测量单元的测量误差被不断累计，从而导致较大的定位累计误差。

通过把惯性测量单元安装在脚部或鞋上，利用人行走过程中的脚部会周期性地与地面相对静止的特性，采用零速修正（ZUPT）算法可以大大减少惯性导航的累计误差。但是仍然无法消除航向上的累计误差，而航向上的微小偏差在经过一段较长的距离后也将导致较大的误差。例如，航向上3°角的偏差，在经过100米的距离后，误差将达到5.2米，这样大的偏差对于室内环境来说会误差到1到2个房间。

造成航向上偏差的根本原因在于惯性传感器中的陀螺仪存在零点漂移（简称零漂），零漂是衡量惯性传感器包括的陀螺仪性能的一个重要指标。零漂是指当输入角速度为零时，陀螺仪的输出不为零。对于MEMS陀螺仪来说，其核心敏感元件以及其处理电路部分很容易受到复杂的周围环境的影响，例如温度、电磁、震动、甚至辐射、重力异常、湿度、气压等都可能会影响陀螺仪敏感元件和处理电路的特性，从而影响测量的输出精度。这些影响陀螺仪特性的环境因素，大都不容易准确量化和研究，而且这些因素引起的误差会互相耦合和叠加，使得总误差缺少规律性而表现出较强的随机性，即使严格利用标准的陀螺仪测试、标定、建模和补偿等处理方法处理这些环境因素，对陀螺仪精度的提高也不够明显。

目前，针对零漂的处理方式大多是对其进行建模，然后根据模型进行补偿，但是陀螺的零漂往往是弱非线性、非平稳、慢时变的，必须在线实时拟合模型、辨识参数才能达到补偿效果，这在实时系统中难于实现。

为了克服陀螺仪的零漂导致航向上累计误差的影响，往往需要采用其他传感器来检测航向，例如GPS或地磁。然而对于室内环境来说，GPS信号受到建筑物的遮挡而无法使用；地磁环境受到建筑物内部铁质或其它材质的影响，导致地磁方向受到干扰，采用地磁传感器来确定航向也是不可靠的。 因此，解决此类问题往往需要采用高性能的惯性测量单元，而高性能的惯性测量单元的尺寸、成本和复杂性为实际使用的环境设置了限制。往往导致系统成本大幅增加，体积也相应增大，甚至导致体积大幅增加到无法满足实际应用要求。如零漂小于1°/小时的MEMS陀螺仪价格高达几万人民币，性能更好的光纤陀螺仪不仅价格更高，其体积也大，无法满足安装在脚部或鞋上的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种不仅生产成本低、体积小，而且能够使得航向误差控制在1°/小时以内，大幅提高了室内导航系统精度的惯性传感装置，以克服现有技术的不足。