微惯性导航系统

惯性导航系统是以陀螺仪和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺仪的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。

MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸为几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

微惯导系统主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器，根据实际需求还可增加磁力计、气压计等MEMS器件，其中：

陀螺仪用来测量运动体围绕各个轴向的旋转角速率值，通过四元数角度解算形成导航坐标系，使加速度计的测量值投影在该坐标系中，并可给出航向和姿态角；

加速度计用来测量运动体的加速度大小和方向，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移；

磁力计用来测量磁场强度和方向，定位运动体的方向，通过地磁向量得到的误差表征量，可反馈到陀螺仪的姿态解算输出中，校准陀螺仪的漂移；

气压计用来测量环境气压值，融合陀螺仪、加速度计数据输出高度值。

形象的描述的话，陀螺仪知道“我们转了个身”，加速度计知道“我们又向前走了几米”，而磁力计知道“我们是向某个方向”的，气压计则知道我们“现在有多高”。

总而言之，微惯导系统是以低成本的通用MEMS器件为基础，根据应用、误差修正、误差补偿的需要结合使用上述传感器，充分利用每种传感器的特长，通过载体运动模式学习、滤波算法设计、硬件和结构设计等，达到高精度自主定位的目标。不依赖于导航卫星、无线基站、电子标签等任何辅助设备或先验数据库，仅通过载体自身配置的小型微型惯性传感器，可完成任何场景下人员、车辆、机器人等的准确定位。

惯性导航系统最先应用于火箭制导，美国火箭先驱罗伯特·戈达德（ROBERT GODDARD）试验了早期的陀螺系统。二战期间经德国人 冯·布劳恩改进应后，应用于V-2火箭制导。战后美国麻省理工学院等研究机构及人员对惯性制导进行深入研究，从而发展成应用于飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代惯性导航系统，然而成本及复杂性限制了其可以应用的场合。

“微惯导”的概念比较早的出现于2013年，“2013年4月25日，据法新社报道，美军正研发新一代导航系统，用于替代易受干扰的GPS卫星定位系统。这一系统将不再依赖卫星，它将被集成在以立方毫米为单位的超小芯片上。”美国国防部高级研究计划局（ DARPA）提出的这个新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。“一名中国军事专家25日在接受《环球时报》采访时称，美军所谓的新一代导航系统其实质是一种基于现代原子物理最新技术成就的微型惯性导航系统。”

国内方面，2014年湖南长沙国防科技大学成功研制了“基于微惯导的人员自主定位系统”，能够在没有卫星导航信号的环境下实现精确定位，产品的精度和稳定性均已达到国际领先水平。在建筑物内部以及山区、密林等环境中，卫星导航信号存在盲区，基于微惯导的人员自主定位系统，不需要接收卫星导航信号或预先安装外部设施，能够实现自主、实时、准确定位。这是国内首次开展基于微惯导的室内人员定位技术研究，中央电视台新闻联播、新闻频道，湖南卫视等相关媒体也对此进行了连续报道。

国内外市场上也相继涌现了一批进行微惯导定位技术研发的公司，早期产品的定位精度基本上为2%~5%，也就是说用户行走1公里，位置误差至少20米，这是无法满足实际应用需求的，会延误逃生、救援等和位置精度密切相关的应急任务，整个产品没有达到真正实战的技术指标，因此这部分产品也因技术不成熟而未能打开市场。近年，业内公开发售的微惯导定位产品中，最高的定位精度达到了0.3%，相当于走1公里误差不到3米，可以适应<15km/h的走路、小跑、侧移、后退等任意步行姿态，基本可以满足实际应用需求。

微惯导定位技术目前发展比较快，主要是用于紧急救援、军事、工业等用途，就目前的主要应用来说，大概分为三种：

(1) 佩戴于人员腰部的微惯导模块，采用传统PDR航位推算方案，精度一般。腰上的方案实用性更强，穿戴体验更佳，但是对于侧移、转弯、原地踏步等特殊步态就会产生明显的误差积累。目前市面上的腰部惯导产品基本都可以达到2%的精度，走100米误差达到2m，国外的某些产品采用了这类技术方案。

(2) 佩戴于人员足部的微惯导模块，基于足部运动模型开发，精度较高，相对稳定。目前业内已知的最高精度为0.3%，这一精度基本上能满足应急任务的需求，消防、反恐、救援任务在建筑物内行走距离不长，行走1km误差累计3m，误差基本可以接受。

(3) 放置在AGV、叉车等自动仓储设备上的微惯导模块，获取驱动轮数据后，可输出稳健的定位结果。根据网上公开的数据，有些AGV微惯导产品已经可以达到运行30米，偏差5厘米的定位精度。二维码、视觉、激光、超宽带等定位方式结合微惯导，可以极大的减小定位方案施工工作量、节约成本。

1、 自主定位：不接收卫星信号，也不需要外部基站等辅助设备或先验数据库，给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度；

2、 工作不受气象条件、人为干扰影响和覆盖范围限制，可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下、地下；

3、 不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，故隐蔽性好，不受外界电磁干扰、遮挡的影响，适用于各种复杂地理环境和外界干扰下的精确定位；

4、 能提供位置、速度、航向和姿态角数据，且能不断测量位置的变化，精确保持动态姿态基准，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；

5、 数据更新率高、短期精度和稳定性好；

6、 与传统的惯性导航系统相比，由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等构成的微惯性导航系统在成本、体积、重量、功耗等方面均具有显著优势，便于穿戴、携带、集成、布设。

1、 由于微惯导定位信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差，需要外部的信息进行校准。就纯惯导定位的精度来说，即使是0.3%的精度，在大场景长距离情况下，累积误差仍然不可忽略；

2、 微惯导输出为相对轨迹，需要外部辅助信息给出初始位置和方向，并将多个惯导的轨迹统一到一个坐标系中；

3、 微惯导系统作为可穿戴设备时，一般为电池供电，续航时间不长。

微惯导定位在室内小场景中，经过长时间的行走后，角度和位置漂移并不明显，因此在很多场景中并没有使用其它辅助定位手段。但是这种微惯导独立定位方式依然存在两个弱点：

一是输出为相对轨迹，需要将多个微惯导的轨迹统一到一个坐标系中；

二是在大场景长距离情况下，由于惯导固有的漂移率，仍然会有较大的累积误差，需要外部的信息进行校准。

因此“微惯导+”的概念被提出，即以微惯导定位技术为核心，根据不同场景和需求，选用WiFi、蓝牙、UWB、北斗/GPS、场景地图信息或地磁信息等定位技术进行辅助定位，通过对微惯导累积的误差进行校准，达到高精度的定位目的。

蓝牙信标可应用于室内定位，但是信号发射范围比较小，而且容易受到环境包括人体的遮挡和干扰，定位精度不高，一般在3米左右。但蓝牙设备体积小、重量轻、功耗小、成本低，布设起来较为方便，比较适合消防救援等不方便布设太多外部定位设备的应急任务场景，也同样适合一些对成本要求较高的领域。

“微惯导+蓝牙”通过蓝牙信标进行间或校准，可以将微惯导定位过程中累积的位置和方向漂移进行校准，并对多人相对位置进行标定，不需要需任何地图信息融合，能够长时间维持在一个稳定的可接受的精度范围。这种融合式的定位方案部署简单，可以满足应急任务室内定位的需求。

超宽带作为主流的定位技术之一，具有抗多径、精度高的特点，定位精度可以达到分米级，甚至厘米级。但超宽带基站成本比较高，信号容易受到金属、建筑物和人体遮挡的影响，难以实现大范围部署。

“微惯导+超宽带”的定位方式通过超宽带测距信息对微惯导累积的误差进行校正，同时实现多人/多终端轨迹标定。这种方式定位精度比较高，比较适合在一些重点区域如化工厂、核电站、电站、货场、物流等环境较为复杂的场景进行定位，也可满足多人大场景 虚拟现实（VR）定位的需求。

北斗/GPS等导航卫星定位技术成熟、应用广泛，在开阔区域定位性能好。但是进入室内或者复杂环境时，由于受到遮挡导致定位精度下降甚至形成定位的盲区。

“微惯导+北斗/GPS”的定位方式适用于对室内外定位都有需求的场景。在室内或复杂环境，卫星定位存在盲区，采用微惯导进行独立定位；在卫星信号较强的区域，两种方式进行融合定位，一方面可利用北斗/GPS的定位信息对微惯导的误差进行校准，另一方面可通过卡尔曼滤波输出稳健的高精度的定位结果。

“微惯导+地图”的定位方式适用于已知建筑物规则结构信息的室内场景。通过一般惯性传感器定位算法解算得到初级定位结果，然后根据矩形结构建筑物内的八个先验方向在粒子滤波算法框架内调整粒子权值，校正航向漂移，最后经过重采样可以得到轨迹修正后的定位结果，其中八个先验方向包含矩形四个边的朝向与四个经插值得到的辅助方向。

这种定位方式可利用建筑物的矩形结构对定位结果进行航向校正，显著提高定位精度，稳定性较高，在行走轨迹复杂的条件下，仍能准确判断航向。定位结果可以反映行走轨迹的细节，降低了航向漂移，提高室内定位的精确度，从而减缓或抑制了长时间持续定位结果恶化。这种定位方式可进一步减少辅助定位基站数量，降低定位系统复杂度。

在城市、建筑物内、山区、密林、地下等环境，常规的卫星定位手段常常会失效，不依赖任何外部设备或先验数据库的微惯导就是用于解决这些场景下的准确和实时定位难题。可以说微惯导技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。

微惯导在军用领域已经得到了比较成熟的应用，特别适合于在高层建筑或复杂大型建筑中的消防救援，以及特种作战、反恐处突、打击犯罪、抢险救灾等应急任务场景的室内、地下定位应用，满足军队、武警、消防、应急等部门执行紧急任务的需求，这些紧急任务场景往往来不及或不方便布设太多的外部定位基站等设备。另外微惯导还适用于军警部队平时进行村落反恐、城市反恐等可控场景训练，展示单兵分布情况、训练态势。

2016年9月28日，公安部消防局大跨度大空间建筑灭火救援实战演练在江苏南京举行，这次演练采用的消防员综合监测指控系统包含了微惯导定位产品，标志着微惯导正式在消防救援领域得到实际应用。

微惯导在民用领域同样具有很大的应用价值，它能够在隧道、涵洞、山谷等这些导航卫星信号无法接收的地点完成测绘和勘查任务。

在化工、矿区、电站、核电站、货场、物流等环境较为复杂的场景，往往存在严重的遮挡、多径等问题，导航卫星及常规的UWB、RFID、WiFi、蓝牙等技术定位精度很差，并且特殊的厂区环境无法布设太多的基站等外部设施。为了确保人员的安全和良好的工作秩序，需要对人员进行高精度定位以进行监控。采用“微惯导+基站稀疏配置”定位技术，在厂区布设极少量的辅助定位基站，可实现人员的自主、实时、连续、准确定位。

在AGV搬运机器人定位需求越来越旺盛的自动化仓储领域，大部分定位技术需要通过场地改造（铺磁轨、贴色带、贴地标二维码、安装激光反射板）来实现，这些外部设施的搭建使得建设及维护成本高，受环境的限制大，灵活性也较差。微惯导技术应用于AGV导航是目前一种比较新兴的方式，不依赖于任何外界设备（不需要铺设磁条、布置激光反射板等），不受外界电磁干扰的影响，且摆脱了传统方式的环境限制。在AGV的实际应用场景中，仓储、工厂等面积往往比较大，在大场景长距离情况下，由于惯导固有的漂移率，仍然会有较大的累积误差，需要外部的信息进行校准，微惯导结合激光、视觉、二维码、UWB等技术可提供高效、低成本的解决方案。

另外，微惯导技术在老人小孩防走丢、无人机运动控制、机动车辆自动/无人驾驶、地下车库定位和导航等消费领域也有着比较好的应用前景。