里程計可以有效抑制航位推算定位系統的誤差發散。其中，輪式里程計會因車輪打滑或側滑而性能惡化，視覺、LiDAR里程計在退化場景性能下降。我們提出了一種基于雙磁力計的運動速度估計方法——磁場里程計(Mag-ODO)，該方法能夠作為傳統里程計的補充，用于增強機器人在室內的定位能力。Mag-ODO利用安裝在機器人頭部和尾部的兩個磁力計能夠先后觀測到同一空間磁場的特性，通過波形匹配估計出兩個磁力計經過同一位置的時間差，并結合預先標定的空間距離實現機器人的速度估計。該方法具有不受磁力計零偏以及磁場梯度瞬時消失等因素影響的優點。實測結果表明，Mag-ODO在典型室內場景能夠實現與輪式里程計性能相當的速度估計。

    GNSS在室外開闊環境可以提供可靠的導航和定位功能，但在室內應用中無法使用。航位推算(DR)是GNSS拒止環境中常用的自主定位方法。其中，由于低成本MEMS 慣導誤差發散快，通常采用MEMS慣性傳感器和里程計組成DR系統。目前常用的里程計包括輪式里程計、視覺里程計和LiDAR里程計等。輪式里程計只能用于輪式載體，且輪子打滑或側滑會嚴重影響其性能；視覺和LiDAR里程計則受到場景退化影響。為了彌補這些里程計的不足，我們提出了一種基于低成本磁力計的磁場里程計(Mag-ODO)方案。

    Mag-ODO利用安裝在機器人頭部和尾部的兩個磁力計能夠先后觀測到同一空間磁場的特性，通過波形匹配估計出兩個磁力計經過同一位置的時間差，并結合預先標定的空間距離實現機器人的速度估計，工作原理如圖1所示。首先，磁力計安裝時，盡可能保障兩個磁力計的連線平行于車輛前進方向；然后，對磁力計測量值進行預處理，包括低通濾波、分幀和歸一化；接著，以固定時間窗口內機器人尾部的磁力計觀測值為參考序列，同時在機器人頭部的磁力計觀測值上以固定時間窗口長度滑動提取多組觀測序列，并利用動態時間規整(DTW)計算參考和觀測序列相似度(即波形匹配)，相似度最高時對應的滑動時間即為時間差；最后，使用兩個磁力計的距離除以時間差獲得機器人的運動速度估計。

圖1 磁場里程計工作原理

    我們從三個方面評估了Mag-ODO的速度估計性能，包括兩個磁力計的安裝間距、機器人運動速度以及場景差異。圖2展示了兩個磁力計的安裝間距對速度估計精度的影響。當磁力計間距小于0.3米時，速度估計誤差隨著距離增加逐漸減??；間距大于0.3米后，速度估計誤差將趨于平穩。原因是間距越大則需要機器人在更長的時間窗口內行駛直線軌跡，否則兩個磁力計能夠測量相同空間磁場的假設將被破壞，導致速度估計性能下降。圖3展示了固定時間窗口內行駛距離(即運動速度)對速度估計精度的影響。行駛距離越大，速度估計精度越高。原因是固定時間窗口內行駛距離增加將會覆蓋更豐富的的磁場特征，能夠提高磁場序列的匹配精度。圖4展示了不同場景對速度估計精度的影響，從上到下依次為室內、天臺、室外測試環境?？梢钥吹?，室內環境磁場特征最豐富，對應的速度估計精度最高。

圖2 速度估計誤差隨磁力計安裝間距的變化曲線

圖3 速度估計誤差隨匹配窗口內載體移動距離的變化曲線

圖4 三種不同場景中的速度估計曲線

    為了進一步評估Mag-ODO性能，我們實現了基于MEMS-IMU/Mag-ODO的DR算法。圖5給出了兩次測試的軌跡估計結果，表1統計DR算法的位置誤差和航向誤差?？梢钥吹?，在直線和曲線環境中基于Mag-ODO的DR算法的定位精度與基于MEMS-IMU/輪式里程計的DR方法相當。

     

圖5 DR軌跡估計結果

表1 位置誤差與航向誤差統計

    我們提出了一種基于雙磁力計的運動速度估計方法，使用兩個消費類磁力計實現了室內機器人高精度速度估計。該方法具有安裝簡單、對磁力計零偏不敏感、且能夠抵抗匹配時間窗口內磁場梯度短暫消失的優點。在較豐富磁場特征的環境中磁場里程計性接近輪式里程計，能夠作為傳統里程計失效時的補充定位方式，從而輔助實現更精準的室內機器人定位。

    隨著位置服務對低成本全域精準定位需求的日益迫切，相信基于消費類磁力計芯片的磁場里程計，可以在室內、地下等GNSS拒止環境發揮其獨特的作用。

相關成果發表在Measurement上，可在團隊網站(i2nav.cn)的“研究成果-學術論文”列表中下載。（Link）

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[1] Zhang T, Wei L, Kuang J, et al. Mag-ODO: Motion speed estimation for indoor robots based on dual magnetometers[J]. Measurement, 2023, 222: 113688.