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高端航姿参考系统(AHRS)究竟好在哪里?

AHRS(Attitude and Heading Reference System)俗称航姿参考系统,能够为飞行器提供准确可靠的横滚、俯仰、航向等姿态与航行信息。产品由加 速度传感器 、陀螺仪以及磁 力传感器 等组成,内部一般采用卡尔曼滤波器作为多 传感器 数据融合单元进行航姿解算。AHRS起源于飞行器相关技术,但是近些年随着器件成本的不断降低也被广泛应用于机动车辆与无人机、工业设备、摄像与天线云台、地面及水下设备、虚拟现实、生命运动科学分析、室内定位等领域需要三维姿态测量的产品中。

图1 航姿参考系统(AHRS)应用示意图

目前市面上比较知名的AHRS产品有荷兰XSENS公司的MTi系列、法国SBG公司的Ellipse/Ekinox系列、挪威Sensonor公司的STIM系列等,国内也有一些同类产品,但指标体系不统一,精度和市场份额均无明显优势。

ARHS最重要的指标有姿态(横滚、俯仰)精度、航向精度、航向漂移等,经过对国外几家较为知名的AHRS厂商及代理商的调研,市面上的大部分俯仰和横滚动态精度标称为0.1~0.5°之间、航向动态精度标称为0.5~2°之间的AHRS产品,单个报价基本都在10000元以上,这个价格对于消费、行业市场的批量应用来说存在较大障碍。另外,笔者通过比较对应的指标,发现各型AHRS的标价比较混乱,相差数万元的产品,从指标上来看并无明显的区别。由此笔者提出了几个疑问:(1)这些所谓的价格上比较高端的AHRS究竟好在哪里?(2)国内的AHRS产品对比国外的有什么差距或者说差别呢?(3)AHRS产品的开发难点在哪里、门槛有多高?(4)无人机、无人车、机器人、AGV、室内定位、平台姿态稳定等领域需要的AHRS精度和成本到底是什么级别的?

在笔者调研的AHRS里面,都没有采用高可靠性加速度计和高精度陀螺仪,而是普遍采用低成本的微机电系统( Micro-Electro-Mechanical System,MEMS )器件为主构成的航姿参考系统,如MEMS加速度计、磁力计、陀螺仪等。这些传感器通常成本低廉、精度较低,所以在这种低精度陀螺仪和加速度计的架构下必须综合运用地球的重力场、磁场等场向量来进行修正,关键的就是各家厂商的融合算法,是否能够让AHRS在静态、动态及磁干扰等环境下都能输出精确、稳定的姿态数据。

格纳微科技核心业务是微惯导室内定位,立足以低成本的通用MEMS器件为基础,通过载体运动模式学习、滤波算法设计、硬件和结构设计等,实现不依赖卫星和外部基站的高精度室内自主定位。在纯惯性/无外部辅助手段的情况下,格纳微科技的微惯导产品定位精度优于0.3%(步行1公里误差不到3米),为业内公开的最高性能指标。基于市场上无人机、无人车、AGV、服务机器人、安防机器人、轮式车辆等行业对AHRS需求的猛增,团队经过多年积累,推出SurPass系列航姿参考系统产品,寓意“不断超越”。产品采用经过充分选型的MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计进行组合,严格密封设计以及结构工艺保证产品在恶劣的环境下仍能实现精密地测量。通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿等多种补偿,可以大大消除误差源,提高产品精度水平。同时智能识别和滤除外部磁场干扰,并采用自适应滤波算法对静止或运动物体的姿态参数和航向角进行最优估计,实时解算出高精度的横滚角、俯仰角和航向角。

图2 格纳微科技SurPass-A100航姿参考系统

近日,格纳微科技的SurPass-A100航姿参考系统产品经过长期研发首次向市场推出,我们选取行业内指标较高的一款进口AHRS产品(以下称XXAHRS),并以一款高精度光纤(Fiber-optic Gyroscope, FOG)惯导设备(以下称FOG)作为标准进行了对比测试。

将SurPass-A100、XXAHRS与FOG固定在同一个平台上,进行了长时间的动态和静态测试。如图3所示,SurPass-A100、XXAHRS角度解算误差(以FOG为标准)分别用蓝色、红色表示,纵轴表现的是和FOG的实时角度差,作为误差量进行评估。首先静止700秒左右,静态时SurPass-A100、XXAHRS两者姿态和航向保持能力基本相当,和FOG相比漂移误差大约0.3°(RMS);然后通过空间自由旋转模拟平台连续运动约1200秒,动态时SurPass-A100的姿态(Roll/Pitch)和航向(Yaw)表现更为稳定,整体误差跳动较小(方差小),SurPass-A100、XXAHRS的航向动态响应误差分别为≤2.52°/2.67°(RMS)。二者在运动过程中累积产生的少量姿态漂移在静止后有通过算法修正,修正后的姿态误差均≤1°。从航向角来看,SurPass-A100的动态响应精度十分优良,明显误差跳动幅度更小,在恢复静止状态后, SurPass-A100、XXAHRS在运动过程中累积产生的航向漂移在静止后基本被完全消除。但同时在恢复静止后,SurPass-A100更快的响应至静止状态,而XXAHRS还有几秒到十几秒的修正迟滞。如果在需要快速姿态响应的场景如无人机等应用,显然SurPass-A100更为合适。

图3 SurPass-A100、XXAHRS角度解算误差对比图

(从上到下依次为俯仰角、横滚角、航向角的解算误差)

图4 SurPass-A100、XXAHRS、FOG角度解算结果对比局部放大图

(从上到下依次为俯仰角、横滚角、航向角的解算结果)

图4将SurPass-A100、XXAHRS、FOG角度解算结果对比情况进行了局部放大,分别用蓝色、绿色、红色表示。可以看到在动态测试过程中SurPass-A100的动态响应表现更为细腻,和FOG的曲线基本完全一致,而XXAHRS的绿色曲线会不时出现部分区间偏差较大的现象,但是长期趋势表现也较好。动态响应来看,SurPass-A100、XXAHRS二者基本相当,SurPass-A100表现略优。另外,SurPass-A100在抗磁扰方面也做了大量优化,通过外部加载磁场干扰,实测表明短时磁场扰动对产品性能几乎没有影响。

综合来看,格纳微科技推出的SurPass-A100的动态、静态指标和XXAHRS基本相当,但SurPass-A100的单价仅为XXAHRS的1/3。SurPass-A100不拿静态数据玩数字游戏,用实测数据说话,指标真正媲美“高端AHRS”,在动态特性、长期稳定性和环境适应性上远胜“某宝”上鱼龙混杂的低端同类产品,具备良好的动态响应特性、方向保持能力、抗磁扰能力。

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