優化導航系統中的MEMS IMU資料一致性和時序

作者：ADI 應用工程師 Mark Looney

摘要

對於初次嘗試評估慣性感測解決方案的人來說，現有的運算和I/O資源可能會限制資料速率和同步功能，進而難以在現場合適地評估感測器能力。常見的挑戰包括如何以MEMS IMU所需的資料速率進行時間同步的資料擷取，進而充分發揮其性能並進行有效的數位後處理。運算平台迴圈速度可能很慢（低至10 Hz），而且這些平台往往不支援感測器資料更新的中斷以及時擷取資料。本文介紹了系統開發人員可以使用哪些技術來解決控制系統慢速/非同步計算迴圈，以及IMU感測器高性能資料擷取和處理(>1000 Hz)之間的矛盾。

簡介

PNT專家Dana Goward在近期的一篇社論中指出，如今社會極度依賴GPS提供的位置導航授時服務(PNT)¹。現有GPS/GNSS PNT服務面臨著一系列複雜威脅，眾多導航平台開發人員必須快速評估新興技術，以協助因應其目前PNT策略的脆弱性。自動駕駛汽車(AV)的制導與導航控制(GNC)系統就屬於這類技術，其必須能夠識別與PNT服務丟失或受損相關的一系列複雜威脅。

事實上，許多AV開發商和營運業者都面臨著多重挑戰，因此不得不開始考慮為其平台增加慣性感測器。對於初次使用微機電系統(MEMS)慣性測量單元(IMU)的企業來說，要以充分發揮其性能的採樣速率來實現數據的同步性可能是一項重大挑戰。即使在早期原型設計和初步現場試驗中，採樣速率和資料是否同步也會對最終系統性能產生影響，在系統開發人員需依靠初步結果來評估開發過程中的長期需求時，相關影響更加明顯。因此，識別和優化MEMS IMU的關鍵工作特性是首要步驟。

MEMS IMU

MEMS IMU通常包含三軸線性加速度計和三軸陀螺儀，用於測量物體在三個正交軸上的線性加速度和角速率。圖1說明了其慣性參考系以及每個感測器的極性和軸線定義。

Figure 1. ADIS16576 inertial reference frame. — 圖1.ADIS16576慣性參考系

自動地面車輛(AGV)用例

圖2為AGV主處理迴圈的簡化流程圖，該AGV利用影像、車輪里程計和GPS實現慣性導航和追蹤。虛線部分說明了如何在這個迴圈中增加一個讀取操作，以讀取 ADIS16576MEMS IMU的六個慣性感測器的資料。

Figure 2. A simplified AGV processing flowchart. — 圖2.AGV處理的簡化流程圖

舉例來說，主迴圈以50 Hz的主迴圈速率從影像和車輪里程表獲取資料，同時以10 Hz的速率更新GPS/PNT資料。該AGV的第一代產品用於在空軍基地的建築物之間提供基本的補給運送服務。對於下一代產品，AGV操作員必須評估使用更多的感測器，以因應部分GPS中斷情況（例如只有兩顆GPS衛星可用）。此外，產品需要升級到GNC，以保障其在複雜越野環境中的速度能提高一倍。ADIS16576 MEMS IMU是供評估的優選產品。

MEMS IMU為了實現更優性能和運行狀態，需要一定的採樣速率，而目前迴圈更新速率與該採樣速率的差異高達80倍，如何彌合此差距是首要挑戰。提高GNC系統處理迴圈的速度需要進行重大改動，這對於第一批原型和初步現場試驗來說可能不切實際。如何才能確保在初步現場試驗中，更有效地評估MEMS IMU在這一特定用例中的價值？答案在於優化「資料縮減」、「時間一致性」、「同步²」和「緩衝」這幾個工作特性之間的合理搭配：

資料縮減

要降低資料速率，一種簡單方法是以較低速率擷取資料。然而，這種方法可能會造成訊號欠採樣，進而引入誤差。在進行高動態運動或處於複雜環境中時，由於AGV平台主要依賴MEMS IMU感測器擷取資訊來提供回饋，因此更容易出現誤差。MEMS IMU核心感測器（加速度計、陀螺儀）和訊號鏈的頻寬，通常比大多數其他AGV感測平台要寬。因此，任何目的在降低慣性訊號資料速率的策略，都需要考慮降低頻寬。

在MEMS IMU的訊號鏈中應用數位濾波，可以迅速解決這個問題。例如，將ADIS16576適配到圖2中的系統時，將其Bartlett FIR濾波器設定為每級64分接頭會使截止頻率降至約20 Hz。將其抽取濾波器設定為每次資料更新平均需要80個連續樣本時，其輸出資料速率(ODR)會降至50 Hz。運用這些濾波器時，應確保資料寬度能夠支援相應的位成長。在這個特定例子中，系統處理器需要為每個慣性感測器擷取兩個16位元暫存器（總共32位元）的資料。為了滿足32位元慣性感測器資料的要求，當使用突發讀取指令、串列時脈頻率為8 MHz且通訊開銷為4 μs時，通訊序列時間將從24 μs增加到40 μs。

時間一致性

優化資料速率和相關頻寬之後，下一個優化重點在於確保IMU資料採樣與系統時脈參考的時間一致性。為了便於說明，我們將影像同步頻率(50 Hz)定義為系統參考。以出廠預設配置運行時，ADIS16576使用內部時脈參考，這不可避免地會與影像同步頻率存在一定程度的不匹配。當IMU的ODR低於影像同步頻率時，偶爾會讀取到過時的數據。當IMU的ODR高於影像同步頻率時，會丟失或錯過一些樣本。此種情況發生的頻率取決於各時脈之間不匹配的程度。另一個侷限性則是IMU資料的延遲，其延遲變化時間可達一個採樣週期(20 ms = 1/50 Hz)。

有兩種方法可以增強時間一致性。第一種方法是利用IMU的資料就緒訊號觸發IMU資料擷取。圖3為在兩種不同操作後檢查IMU資料的流程圖。此種方法能夠解決資料樣本缺失的問題，確保以50 Hz的主迴圈速率來獲取時間一致的IMU資料流程。此概念還可以擴展到在GNC處理與影像讀取的間隙，檢查IMU中是否有新資料。

Figure 3. A simplified AGV processing flowchart with IMU interrupts. — 圖3.使用IMU中斷的簡化AGV處理流程圖

同步

確保時間一致性和精準延遲的另一種方法利用了MEMS IMU的外部同步特性。ADIS16576提供了兩個主要選項：直接式和比例式。對於圖2中的流程圖而言，比例同步模式較為合適。系統時脈以50 Hz運行，而此元件在4000 Hz時性能最佳，因此將時脈比例設定為80倍。與片上濾波器結合使用時，結果仍為20 Hz頻寬和ODR，但相對於系統時脈參考（影像同步頻率），延遲是固定的。

資料緩衝

如果非常需要最快採樣速率允許，但只能使用僅提供同步資料通訊服務的平台進行初步現場試驗，資料緩衝技術很有幫助。為了實現資料緩衝，系統架構者可以在選擇IMU時明確要求其具備資料緩衝功能，或將IMU與共置的嵌入式處理器搭配使用。

同樣的，對於圖2中的示例而言，當禁用ADIS16576中的所有板載濾波時，板載FIFO將在主迴圈的一個週期內收集80個樣本。此配置下無需在IMU的訊號鏈中使用濾波，因此系統可以使用16位元資料格式來優化通訊時間。因此，當8 MHz的串列時脈且各16位元通訊段之間的停轉時間為6 μs時，AGV處理器將能夠在不到4 ms的時間內擷取所有六種慣性樣本的全部80個樣本。

結論

為了充分利用MEMS IMU的性能，系統架構可能需要進行重大調整。在投入大量資源推進此類升級之前，優化現有數位特性可以協助AGV開發人員評估其應用場景，並最終針對其看重的目標，制定具體可行的計畫。對於AV開發者而言，快速建構與MEMS IMU回應時間同步或相關的系統或模式是重要的一步，這將有助於他們因應不斷擴大的任務範圍，同時面對現有PNT服務日益增加的威脅。

參考文獻

¹Dana Goward。“US Dangerously Behind, PNT Leadership Needed.”。GPS World，2024年7月。

²Mark Looney。“Synchronizing MEMS IMUs with GPS in Autonomous Vehicles.”。Inside GNSS，2024年5月。