AHRS（Attitude and Heading Reference System）俗稱航姿參考系統(tǒng)，能夠?yàn)轱w行器提供準(zhǔn)確可靠的橫滾、俯仰、航向等姿態(tài)與航行信息。產(chǎn)品由加速度傳感器、陀螺儀以及磁力傳感器等組成，內(nèi)部一般采用卡爾曼濾波器作為多傳感器數(shù)據(jù)融合單元進(jìn)行航姿解算。AHRS起源于飛行器相關(guān)技術(shù)，但是近些年隨著器件成本的不斷降低也被廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車輛與無人機(jī)、工業(yè)設(shè)備、攝像與天線云臺(tái)、地面及水下設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)、生命運(yùn)動(dòng)科學(xué)分析、室內(nèi)定位等領(lǐng)域需要三維姿態(tài)測量的產(chǎn)品中。


　　目前市面上比較知名的AHRS產(chǎn)品有荷蘭XSENS公司的MTi系列、法國SBG公司的Ellipse/Ekinox系列、挪威Sensonor公司的STIM系列等，國內(nèi)也有一些同類產(chǎn)品，但指標(biāo)體系不統(tǒng)一，精度和市場份額均無明顯優(yōu)勢。

　　ARHS最重要的指標(biāo)有姿態(tài)（橫滾、俯仰）精度、航向精度、航向漂移等，經(jīng)過對(duì)國外幾家較為知名的AHRS廠商及代理商的調(diào)研，市面上的大部分俯仰和橫滾動(dòng)態(tài)精度標(biāo)稱為0.1——0.5°之間、航向動(dòng)態(tài)精度標(biāo)稱為0.5——2°之間的AHRS產(chǎn)品，單個(gè)報(bào)價(jià)基本都在10000元以上，這個(gè)價(jià)格對(duì)于消費(fèi)、行業(yè)市場的批量應(yīng)用來說存在較大障礙。另外，筆者通過比較對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)各型AHRS的標(biāo)價(jià)比較混亂，相差數(shù)萬元的產(chǎn)品，從指標(biāo)上來看并無明顯的區(qū)別。由此筆者提出了幾個(gè)疑問：（1）這些所謂的價(jià)格上比較高端的AHRS究竟好在哪里？（2）國內(nèi)的AHRS產(chǎn)品對(duì)比國外的有什么差距或者說差別呢？（3）AHRS產(chǎn)品的開發(fā)難點(diǎn)在哪里、門檻有多高？（4）無人機(jī)、無人車、機(jī)器人、AGV、室內(nèi)定位、平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定等領(lǐng)域需要的AHRS精度和成本到底是什么級(jí)別的？

　　在筆者調(diào)研的AHRS里面，都沒有采用高可靠性加速度計(jì)和高精度陀螺儀，而是普遍采用低成本的微機(jī)電系統(tǒng)（ Micro-Electro-Mechanical System，MEMS ）器件為主構(gòu)成的航姿參考系統(tǒng)，如MEMS加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀等。這些傳感器通常成本低廉、精度較低，所以在這種低精度陀螺儀和加速度計(jì)的架構(gòu)下必須綜合運(yùn)用地球的重力場、磁場等場向量來進(jìn)行修正，關(guān)鍵的就是各家廠商的融合算法，是否能夠讓AHRS在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及磁干擾等環(huán)境下都能輸出精確、穩(wěn)定的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

　　格納微科技核心業(yè)務(wù)是微慣導(dǎo)室內(nèi)定位，立足以低成本的通用MEMS器件為基礎(chǔ)，通過載體運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)、濾波算法設(shè)計(jì)、硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)不依賴衛(wèi)星和外部基站的高精度室內(nèi)自主定位。在純慣性/無外部輔助手段的情況下，格納微科技的微慣導(dǎo)產(chǎn)品定位精度優(yōu)于0.3%（步行1公里誤差不到3米），為業(yè)內(nèi)公開的最高性能指標(biāo)?；谑袌錾蠠o人機(jī)、無人車、AGV、服務(wù)機(jī)器人、安防機(jī)器人、輪式車輛等行業(yè)對(duì)AHRS需求的猛增，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年積累，推出SurPass系列航姿參考系統(tǒng)產(chǎn)品，寓意“不斷超越”。產(chǎn)品采用經(jīng)過充分選型的MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)進(jìn)行組合，嚴(yán)格密封設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)工藝保證產(chǎn)品在惡劣的環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)精密地測量。通過非線性補(bǔ)償、正交補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償和漂移補(bǔ)償?shù)榷喾N補(bǔ)償，可以大大消除誤差源，提高產(chǎn)品精度水平。同時(shí)智能識(shí)別和濾除外部磁場干擾，并采用自適應(yīng)濾波算法對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)參數(shù)和航向角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，實(shí)時(shí)解算出高精度的橫滾角、俯仰角和航向角。

　　近日，格納微科技的SurPass-A100航姿參考系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)過長期研發(fā)首次向市場推出，我們選取行業(yè)內(nèi)指標(biāo)較高的一款進(jìn)口AHRS產(chǎn)品（以下稱XXAHRS），并以一款高精度光纖（Fiber-optic Gyroscope， FOG）慣導(dǎo)設(shè)備（以下稱FOG）作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比測試。

　　將SurPass-A100、XXAHRS與FOG固定在同一個(gè)平臺(tái)上，進(jìn)行了長時(shí)間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測試。如圖3所示，SurPass-A100、XXAHRS角度解算誤差（以FOG為標(biāo)準(zhǔn)）分別用藍(lán)色、紅色表示，縱軸表現(xiàn)的是和FOG的實(shí)時(shí)角度差，作為誤差量進(jìn)行評(píng)估。首先靜止700秒左右，靜態(tài)時(shí)SurPass-A100、XXAHRS兩者姿態(tài)和航向保持能力基本相當(dāng)，和FOG相比漂移誤差大約0.3°（RMS）；然后通過空間自由旋轉(zhuǎn)模擬平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)約1200秒，動(dòng)態(tài)時(shí)SurPass-A100的姿態(tài)（Roll/Pitch）和航向（Yaw）表現(xiàn)更為穩(wěn)定，整體誤差跳動(dòng)較小（方差?。琒urPass-A100、XXAHRS的航向動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差分別為≤2.52°/2.67°（RMS）。二者在運(yùn)動(dòng)過程中累積產(chǎn)生的少量姿態(tài)漂移在靜止后有通過算法修正，修正后的姿態(tài)誤差均≤1°。從航向角來看，SurPass-A100的動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度十分優(yōu)良，明顯誤差跳動(dòng)幅度更小，在恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)后， SurPass-A100、XXAHRS在運(yùn)動(dòng)過程中累積產(chǎn)生的航向漂移在靜止后基本被完全消除。但同時(shí)在恢復(fù)靜止后，SurPass-A100更快的響應(yīng)至靜止?fàn)顟B(tài)，而XXAHRS還有幾秒到十幾秒的修正遲滯。如果在需要快速姿態(tài)響應(yīng)的場景如無人機(jī)等應(yīng)用，顯然SurPass-A100更為合適。

　　圖4將SurPass-A100、XXAHRS、FOG角度解算結(jié)果對(duì)比情況進(jìn)行了局部放大，分別用藍(lán)色、綠色、紅色表示?？梢钥吹皆趧?dòng)態(tài)測試過程中SurPass-A100的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)更為細(xì)膩，和FOG的曲線基本完全一致，而XXAHRS的綠色曲線會(huì)不時(shí)出現(xiàn)部分區(qū)間偏差較大的現(xiàn)象，但是長期趨勢表現(xiàn)也較好。動(dòng)態(tài)響應(yīng)來看，SurPass-A100、XXAHRS二者基本相當(dāng)，SurPass-A100表現(xiàn)略優(yōu)。另外，SurPass-A100在抗磁擾方面也做了大量優(yōu)化，通過外部加載磁場干擾，實(shí)測表明短時(shí)磁場擾動(dòng)對(duì)產(chǎn)品性能幾乎沒有影響。

　　綜合來看，格納微科技推出的SurPass-A100的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)和XXAHRS基本相當(dāng)，但SurPass-A100的單價(jià)僅為XXAHRS的1/3。SurPass-A100不拿靜態(tài)數(shù)據(jù)玩數(shù)字游戲，用實(shí)測數(shù)據(jù)說話，指標(biāo)真正媲美“高端AHRS”，在動(dòng)態(tài)特性、長期穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性上遠(yuǎn)勝“某寶”上魚龍混雜的低端同類產(chǎn)品，具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、方向保持能力、抗磁擾能力。