基于IMU的導(dǎo)航系統(tǒng)將推動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展

未來(lái)，全球的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)展將建立在多項(xiàng)戰(zhàn)略技術(shù)的進(jìn)步之上，而這些技術(shù)的提升將推動(dòng)全球自動(dòng)駕駛的普及程度。

其中最重要的突破點(diǎn)在于需要保證在任何環(huán)境下都能對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)，持續(xù)和精準(zhǔn)的定位。安全的自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)必須不受任何天氣、溫度和環(huán)境因素影響，且能在比最初預(yù)設(shè)更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行航位推算。

慣性測(cè)量單元（IMU）作為所有定位系統(tǒng)中最關(guān)鍵的傳感器之一，致力于理解運(yùn)動(dòng)的基本物理原理。了解車輛如何在時(shí)間和空間上運(yùn)動(dòng)是十分有必要的，而目前IMU仍是融合到視覺(jué)系統(tǒng)和其他探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)的最具成本效益和最精確的傳感器之一。

為什么IMU會(huì)如此重要？想象一下，在白紙中間劃一條直線，假設(shè)為自動(dòng)駕駛汽車在隧道中行駛的最佳路徑，從隧道一端到另一端需要一個(gè)小時(shí)。如果車輛的航位推算解決方案存在每小時(shí)3度的陀螺儀零偏不穩(wěn)定性，在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，車輛將偏離直線3度，這可能會(huì)導(dǎo)致車禍發(fā)生。

目前，市場(chǎng)上大多數(shù)IMU仍不夠精確，特別在當(dāng)車輛需在航位推算下連續(xù)運(yùn)行幾秒鐘甚至幾分鐘時(shí)，需要對(duì)傳感器性能進(jìn)行跨越性的提升。在考慮IMU的整體性能時(shí)，有兩個(gè)重要規(guī)范需要理解：陀螺儀零偏不穩(wěn)定性和角隨機(jī)游走（ARW）。

與飛機(jī)類似，地面車輛會(huì)沿橫軸運(yùn)動(dòng)（俯仰或傾斜／下降）、橫滾（很少或者最好不要發(fā)生的運(yùn)動(dòng)）和偏航（轉(zhuǎn)彎方向）。作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中最重要的軸，所有這些都利于車輛的當(dāng)前位置和未來(lái)位置。在IMU中，基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的陀螺儀可測(cè)量角速度，但有幾個(gè)內(nèi)部因素會(huì)導(dǎo)致誤差發(fā)生，零偏不穩(wěn)定性就是其中一個(gè)值得持續(xù)改進(jìn)的因素。

一個(gè)六自由度IMU由多個(gè)慣性MEMS傳感器組成，這些傳感器經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，以在正交軸上對(duì)齊。三軸陀螺儀可測(cè)量繞已知點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，而三軸加速度計(jì)可測(cè)量位移。

陀螺儀易受零偏不穩(wěn)定性的影響，在這種情況下，由于傳感器的固有誤差和裝置內(nèi)的噪聲等綜合因素，陀螺儀的初始絕對(duì)零位讀數(shù)將隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生漂移。

零偏重復(fù)性可以在IMU的已知工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，但是積分和注入恒定的零偏不穩(wěn)定性將導(dǎo)致角度誤差，隨著系統(tǒng)估計(jì)的漂移時(shí)間延長(zhǎng)，角誤差會(huì)不斷累積。誤差漂移會(huì)導(dǎo)致所計(jì)算航向的誤差不斷增加，因此，系統(tǒng)的真實(shí)位置繼續(xù)受到影響，從而對(duì)導(dǎo)航和整體系統(tǒng)精度造成重大挑戰(zhàn)。

陀螺儀漂移主要是由于兩個(gè)原因造成：一個(gè)緩慢變化的近直流變量（零偏不穩(wěn)定性）和一個(gè)高頻噪聲變量或隨時(shí)間測(cè)量的ARW。

偏航軸對(duì)這種漂移最為敏感，而部分俯仰（姿態(tài)）和橫滾軸陀螺儀漂移可以通過(guò)使用加速度計(jì)監(jiān)測(cè)相對(duì)于重力和其他誤差的位置的效應(yīng)來(lái)消除。使用卡爾曼濾波器對(duì)IMU中的陀螺儀輸出進(jìn)行濾波是常用的消除部分漂移誤差的方法。這種漂移誤差是行業(yè)內(nèi)一直存在的問(wèn)題，它也促使制造商不斷提高自主系統(tǒng)陀螺儀的靈敏度和整體性能，以期望達(dá)到低于0．05°／h的零偏不穩(wěn)定性指標(biāo)。

因此，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，更高水平的自動(dòng)駕駛應(yīng)用和自由度將通過(guò)更精確和高度穩(wěn)定的IMU實(shí)現(xiàn)，尤其是在陀螺儀Z軸或偏航軸的性能方面。隨著陀螺儀偏航軸性能的提高，我們將看到汽車、最后一英里送貨機(jī)器人和自動(dòng)駕駛出租車制造商們將能夠逐步實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。

例如，“召喚”和“反向召喚”應(yīng)用就是汽車制造商們利用自動(dòng)駕駛的停車和取車功能，這需要緊密結(jié)合可提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)高精度動(dòng)態(tài)定位能力的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，比如 GPS、GLONASS、Galileo、NavIC和北斗。

這種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精度定位能力，再結(jié)合先進(jìn)的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)和用于航位推算和物理測(cè)量的高性能IMU，正日益普及并受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)于高性能陀螺儀和傳感器的需求也在不斷增加。

隨著我們對(duì)更高級(jí)別自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的追求，以及今年因新冠疫情影響而突出的非接觸式交付的必要性。高效和穩(wěn)定的供應(yīng)鏈、自動(dòng)配送、機(jī)器人出租車和完全自動(dòng)駕駛的重要性會(huì)越來(lái)越突出，發(fā)展會(huì)越來(lái)越迅速。同時(shí)，對(duì)與視覺(jué)系統(tǒng)相結(jié)合的慣性測(cè)量單元的性能要求也會(huì)不斷提高。

來(lái)源：蓋世汽車快訊