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。