【磁场】【地图构建SLAM系统】紧密结合的磁场辅助惯性导航系统研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

本文提出了一个紧密结合的磁场辅助惯性导航系统。该系统利用磁强计传感器阵列测量本地磁场的空间变化。通过递归更新的多项式磁场模型，将场中的变化映射到阵列的位移和方向变化，进而用于辅助惯性导航系统。模拟结果显示，在 40 秒轨迹结束时，所得到的导航系统定位误差降低了三个数量级，与独立惯性导航系统相比。因此，所提出的导航解决方案有潜力解决当前磁场同时定位与地图构建（SLAM）系统所面临的一个关键挑战 —— 勘测阶段的长度非常有限，只能测绘未访问区域。

一、引言

磁场是普遍存在且稳定的矢量场，如果能够准确测量，它可以成为一种信息丰富且可靠的定位源。建筑物内部磁场变化的示例如图 1 所示。在环境中，扭曲的地球磁场和磁化材料提供了与位置高度相关的指纹信息。因此，在全球导航卫星系统（GNSS）无法覆盖的环境中，如室内和水下，磁场成为定位的可行且强大的信息源。事实上，基于磁场的同时定位与地图构建（SLAM）技术，即将磁场测量与惯性导航系统（INS）的导航解决方案融合，已被证明是最有前景的可扩展室内定位技术之一。然而，当使用低成本惯性传感器时，惯性导航系统的误差增长率通常在每分钟 10 米左右。因此，使用低成本惯性传感器时，新区域映射的勘测阶段长度极为有限。因此，为了增加当前基于磁场的 SLAM 解决方案的可用性，我们需要稳健的磁场航迹推算技术，以减少导航误差漂移率。

由于最近的传感器技术发展，可以建造性能优越且价格实惠的磁力计矢量传感器阵列。这些阵列允许收集磁场的快照 “图像”，进而在 SLAM 过程中实现更快速和更丰富的特征学习。此外，磁力计阵列测量必须符合易于建模的物理定律。这使我们能够以这样一种方式对其进行建模，即能编码位置转换和方向变化，使其非常适合用于补充或修正惯性导航系统。因此，在本文中，我们提出了一种紧密集成磁场辅助惯性导航的方法。与纯惯性导航系统相比，得到的导航系统具有显著减少的误差增长率。因此，所提出的导航方法有望大大延长基于磁场的 SLAM 系统中可接受的勘探阶段长度。

二、相关工作

磁场作为一种定位源，在室内和其他卫星信号受限的环境中受到了广泛关注。传统上，研究主要集中在利用单个磁力计进行航向估计，但这种方法在复杂磁场环境中容易受到干扰，且无法提供足够的位置信息。随着传感器技术的进步，磁力计阵列的应用逐渐增多，它能够捕捉磁场的空间变化，为定位提供更丰富的信息。

在惯性导航系统方面，虽然其具有自主性强的优点，但误差随时间积累的问题一直是其应用的瓶颈。为了解决这一问题，研究人员尝试将惯性导航与其他辅助导航技术相结合，如 GPS、地形匹配等。然而，这些方法在某些环境下存在局限性，如 GPS 在室内信号弱或不可用，地形匹配在地形特征不明显的区域效果不佳。

基于磁场的 SLAM 技术近年来取得了一定进展，它通过融合磁场测量和惯性导航信息，实现了在未知环境中的定位和地图构建。然而，由于惯性导航误差的快速积累，限制了这些系统在实际应用中的勘测范围和时间。因此，开发一种能够有效减少惯性导航误差的磁场辅助方法具有重要意义。

三、系统模型

四、算法设计

五、结论与展望

本文提出了一种紧密结合的磁场辅助惯性导航系统，通过利用磁强计阵列测量本地磁场的空间变化，并将其与惯性导航系统进行融合，有效地减少了导航误差的增长率。实验结果表明，与独立惯性导航系统相比，所提出的系统在定位、姿态和速度估计方面具有显著的性能提升。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 胡晓.水下导航系统的地磁匹配算法研究[D].山东农业大学,2011.DOI:10.7666/d.d143960.

[2] 郑晖,王勇,王虎彪.地球磁场异常格网(EMAG2)辅助潜艇导航仿真研究[J].地球物理学进展, 2012, 27(4):9.DOI:10.6038/j.issn.1004-2903.2012.04.063.

[3] 郑晖,王勇,王虎彪.地球磁场异常格网(EMAG2)辅助潜艇导航仿真研究[J].地球物理学进展, 2012, 27(4):1795-1803.

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