可否用多个低端IMU拼成一个IMU阵列，以获得高端IMU的性能？这是一个惯导领域长期存在争议的问题。为此，我们团队通过评估MEMS IMU芯片阵列在GNSS/INS中的动态导航性能，证明了该思路是可行的，并且其精度提升接近了sqrt(N) 倍的理论值。

  消费级MEMS IMU因其体积小、成本低已经在生产生活各个领域广泛使用。但是消费级IMU测量噪声大、参数不稳定，导致其在GNSS/INS组合导航中发挥的作用有限。随机误差理论表明，N个测量误差水平相当而又相互独立的信息融合后可以将测量误差减小sqrt(N)倍。那么，多个IMU芯片组成的阵列是否也能有效提高性能呢？除了静态精度的提高，其动态导航性能可以提高多少？如何才能把IMU阵列的精度潜力充分发挥出来？以下是我们团队的最新研究成果。

  前人的相关工作已经证实了IMU阵列的静态噪声性能相比于单个IMU芯片有接近sqrt(N)倍的改善，与理论预测相符；而IMU阵列的动态导航性能相比于单个IMU芯片也有所提高，但是并未达到理想的效果。在我们最近发表在IEEE Sensors Journal的研究中[1]，我们认为每个IMU芯片的器件误差（包括零偏、比例因子和交轴耦合误差）和IMU芯片的安装角误差（IMU芯片在阵列上的安装角偏差）是导致IMU阵列动态导航性能无法达到预期效果的主要原因。尤其是IMU芯片器件误差中的交轴耦合和IMU芯片的安装角误差，它们使得每个IMU芯片的各敏感轴不严格对齐，进而使IMU阵列数据融合时出现了“信息模糊”的问题。而交轴耦合和安装角误差产生的影响只有在动态测试中才能够表现出来，所以其对IMU阵列的静态精度没有影响，但对动态导航性能有影响。根据上述分析，我们提出了通过精确的标定来补偿每个IMU芯片的误差，从而有效提高IMU阵列的动态导航性能，并在自己设计制作的IMU阵列上进行了充分的实验验证。

  我们设计了4组IMU阵列，其中每组IMU阵列包含16个MEMS IMU芯片，如下图所示：

  

  在高精度三轴转台上，采用标准六位置法和角位置法分别对加速度计和陀螺仪的器件误差和安装角进行标定，并得到每个IMU芯片标定补偿的参数。然后我们对4组IMU阵列的静态性能和动态性能均进行了测试。其中，静态性能采用Allan方差来评估IMU阵列的噪声和零偏不稳定性参数，IMU阵列中陀螺仪和加速度计静态性能分别提高了3.67倍和3.72倍，均接近理论值（即sqrt(16) = 4倍）。动态导航性能采用GNSS RTK/INS组合导航模式测试，载体为SUV测试车。对IMU芯片测量值进行标定补偿后，融合成IMU阵列测量值，将IMU阵列在人为模拟的30s GNSS Outage期间的平面位置误差作为其性能评估指标。值得说明的是，我们对4组IMU阵列均进行了多次动态导航性能测试，并且每组测试中均包括大约90个GNSS Outage样本，因此总样本数充足，测试具备统计意义。IMU阵列的动态性能测试结果统计如表1所示：

表1：标定补偿后IMU阵列30s Outage平面位置漂移（各Outage最大值的RMS统计值）

IMU阵列编号	单个IMU误差(m)	IMU阵列误差(m)	阵列精度改善倍数
Group1	6.44	1.92	3.35
Group2	6.73	1.94	3.47
Group3	5.97	1.71	3.50
Group4	5.82	1.82	3.19
平均值	6.24	1.85	3.38

  上述实验结果表明，标定补偿后的IMU阵列动态导航性能有3.38倍的提高，接近理论值4倍的改善效果。

  作为对比，为了验证标定补偿在改善IMU阵列动态导航性能中的作用，我们也尝试将未标定的IMU阵列原始测量值直接进行融合，并采用同样的方法进行动态性能评估。结果如表2所示：

表2：未标定补偿的IMU阵列30s Outage平面位置漂移（各Outage最大值的RMS统计值）

IMU阵列编号	单个IMU误差(m)	IMU阵列误差(m)	阵列精度改善倍数
Group1	6.19	4.90	1.26
Group2	6.68	3.03	2.21
Group3	6.17	3.87	1.59
Group4	5.97	5.11	1.17
平均值	6.25	4.23	1.56

  未进行标定补偿的IMU阵列虽然也有导航性能的提高，但是非常有限，只有约1.56倍的改善效果，相比4倍的理论值相去甚远。显然，进行标定补偿的IMU阵列相比于未补偿的IMU阵列，其动态导航精度有明显优势，这证实了我们提出的IMU阵列必须对每只IMU进行误差标定补偿的观点。

  此外，我们还在低速机器人上进行了类似测试，结果表明标定补偿之后的IMU阵列相比于标定补偿之前的改善效果并不明显，原因可能是机器人载体的动态不大，IMU安装角和交轴耦合这些动态误差的重要性下降，因此对其标定补偿与否对导航性能的影响不大。

  最后值得强调的是，本文通过包括16个IMU芯片的阵列证实了IMU阵列动态导航性能改善可以接近理论值，但并不是说可以无限制地增加IMU芯片数量来不断提高阵列的精度。这里我们必须保证每个IMU标定参数的精度，而IMU阵列规模越大，对其精度预期就越高，因此对每个IMU的标定就要越准。但是由于消费级MEMS IMU本身的参数稳定性较差，其标定精度就有个上限，恐怕无法满足大规模IMU阵列的要求。另一方面，在硬件电路设计上也必须严格保障IMU阵列的电源线和地线的品质以杜绝信号干扰和读数异常，并采用硬件同步来实现各IMU芯片采样的时标统一，而这些随着阵列规模增大都更加难以保证。基于上述两方面因素，我们认为盲目增加IMU芯片的数量来提高其导航性能是值得商榷的。

L. Wang, H. Tang, T. Zhang, Q. Chen, J. Shi and X. Niu, "Improving the Navigation Performance of the MEMS IMU Array by Precise Calibration," in IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 22, pp. 26050-26058, 15 Nov.15, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3118455.

相关Demo数据共享在：https://github.com/i2Nav-WHU/IMU-Array

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