浅谈深度学习在微惯导定位中的作用及实例

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)基于牛顿运动定律,通过测量加速度和角速度来计算航空器的位置、速度和姿态信息。过去几十年,惯导系统广泛应用于航空、航海、卫星等领域,可协助设备实现高精度的导航、姿态和稳定控制。而微惯导(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)则是惯性导航系统的微型化版本,通常由微型加速度计和陀螺仪组成,具有小型化、低功耗和低成本等优势。近年来,由于无人机、机器人、智能手持设备等大量小型应用场景都需要进行姿态解算和动态控制,基于微惯导的各种应用正如火如荼地展开。

微惯导系统概述图

在微惯导技术中,不同的误差来源会对姿态解算的精度产生不同的影响。通常来说,以下三个误差是微惯导中最主要的误差:

  1. 零偏误差:零偏误差是陀螺仪的一个固有误差,可能由于陀螺仪的不稳定性、温度变化、机械冲击等因素引起。由于零偏误差不随时间变化,因此在微惯导应用中它对姿态解算的影响较大。为了减小零偏误差对姿态解算的影响,需要对陀螺仪进行零偏校准和温度补偿。
  2. 静态误差:静态误差是指在静止状态下,微惯导输出的姿态信息与实际姿态存在偏差。静态误差主要受到加速度计零偏、陀螺仪漂移等因素的影响。由于静态误差与姿态变化无关,因此在微惯导应用中它也会对姿态解算的精度产生较大的影响。
  3. 动态误差:动态误差是指在运动状态下,微惯导输出的姿态信息与实际姿态存在偏差。动态误差主要受到加速度计和陀螺仪的非线性、温度漂移等因素的影响。由于动态误差与姿态变化有关,因此在微惯导应用中它对姿态解算的精度也会产生较大的影响。

此外,其他误差如比例因子误差、缩放因子误差和外界干扰等也会对微惯导的精度产生一定的影响。

为了减小微惯导的误差,一般采取校准、温度补偿、滤波、机械冲击测试等措施,提高微惯导的精度。同时,可以引入其他传感器(如磁力计)综合多个传感器进行姿态解算,以提高精度和抵抗干扰。

近年来,深度学习的兴起为我们解决微惯导的误差问题提供了一些新的思路。

深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法,可以从多源数据中学习特征,并自适应地调整模型参数,从而提高模型的预测精度。

在微惯导定位中,深度学习算法可以用于对数据进行处理和分析。例如,深度学习算法可以学习传感器数据的统计特性,并对数据进行滤波和预处理。此外,深度学习算法还可以从多个传感器(如视频摄像头等)数据中提取特征,并将它们组合起来用于精确的位置预测。

深度学习算法在微惯导定位中还可以用于解决动态环境下的问题。例如,行人在步行时的运动轨迹与驾驶员的车辆轨迹显然是不同的。深度学习算法可以识别行人的运动轨迹,自主学习行人的运动特征,从而进一步提高微惯导定位的精度。

同时,深度学习算法还可以使用预测模型来纠正微惯导的漂移误差。这可以通过将微惯导的输出与GPS和蓝牙信号的数据进行比较来实现。通过训练深度学习模型来学习微惯导和GPS和蓝牙信号之间的关系,可以建立一个预测模型来纠正微惯导的漂移误差,从而提高定位精度。

总之,深度学习在微惯导领域具有广泛的应用前景,可以实现更加精准和可靠的姿态解算、动态控制和导航等任务。

目前在微惯导定位领域利用多源信号融合和深度学习的方法提高定位精度的产品还比较少,但已经有一些成功实现商业化的例子:

其中一个实例是美国激光雷达公司Ouster推出的OS-1 64线雷达。该雷达利用了多种传感器,包括惯性测量单元、GNSS接收器和视觉传感器等,同时使用深度学习算法处理收集的数据,提高定位精度。这个系统广泛应用于自动驾驶车辆和机器人导航等领域,已经被一些公司和组织采用。

Ouster OS-1-64线激光雷达

另一个实例是中国公司上海寻位科技(Seekloca Tech.)推出的SL100纯惯导人员定位模块。该系统采用高精度惯导传感器,并使用深度学习算法进行数据处理和误差补偿。在无需任何额外信号源的情况下可以进行人员自主定位,定位精度可达到米级。该定位模块体积小巧轻便,可以直接嵌入在鞋垫里,穿戴简单。SL100已经广泛应用于应急救援等领域的个人自主定位。

SL100惯导定位模块

这些实例表明,利用多源信号融合和深度学习算法来提高微惯导定位精度已经开始在产品中得到应用,并且已经取得了一定的商业化成果。随着技术的不断发展和应用场景的不断拓展,相信这种方法在未来的微惯导定位领域中将会有更多的商业化实现。

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