IMU——自动驾驶的核心- 大数跨境

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IMU——自动驾驶的核心

利科夫惯性导航

2021-10-19

导读：科技驱动导航未来智慧创造城市科技改变未来同心同行共创辉煌利科夫科技——专注于惯性导航领域独立探测车辆运动惯性

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利科夫科技——专注于惯性导航领域

IMU的独立性

自动驾驶汽车通常综合利用多种不同的技术，例如：LIDAR用于建立周围环境的精确3D图像；雷达通过电磁波不同波段测量车辆到目标的距离；摄像头用于识别路标和检测颜色；高分辨率地图用于定位等等。但是，不同于IMU，上述每种技术都需要获取外部环境数据，并将数据提供给软件用于进行定位、识别和控制。这意味着它们可能受外部环境的影响而出现性能下降，因此，IMU的“独立性”使其成为安全驾驶和传感器融合的核心技术。

精准定位

现在通常的车载惯性传感器组件可以测量某个方向的运动状态，而惯性测量单元（IMU）作为一个嵌入了三轴线性加速度计和三轴角速度陀螺仪的模块，可测量六个自由度（“6 DOF或六轴”）。通过组成六轴结构的线性运动（三维空间）和旋转测量组件（滚动，俯仰和偏航），IMU能够捕获车辆运动状态的全部分量。IMU不仅仅可用于安全气囊和车辆稳定性控制，并且可以实时跟踪计算车辆的位置和方向。因此，IMU通过精确校准消除温度和偏差漂移后，结合扩展卡尔曼滤波器算法能在短时间内对车辆进行精准定位，且不需要任何辅助。更先进的系统会融合车轮速度和角度信息，以辅助卡尔曼滤波器定位估计，进一步提高定位精度。

安全性

统工程师需要考虑该系统的每一种可能的应用场景，并为失效准备备份方案。失效分析（Failure Mode Effects Analysis, FMEA）将这一要求引入设计需求以消除风险。对于自动驾驶，FMEA需要分析这样一个问题：如何处理LIDAR、雷达和摄像头同时失效的情况？IMU数据可用于进行航迹推算（dead-reckon），在短时间内独立保证一定的位置和姿态确定精度。上述故障情况下，可以利用IMU以受控的方式降低汽车速度并使之停止，这在极端条件下提供了可行的解决方案。尽管这看起来像是一个凭空想象的需求，但对成熟的自动驾驶汽车安全策略来讲，这实际上是基本要求。

GPS+IMU组合导航系统

当前车载GPS通常采用低成本的单频接收机，而低精度的GPS对车辆自动化几乎没有作用。现在，多家半导体公司正在研发并推出低成本的多频GNSS接收机。因此，基于网络修正的定位方案，例如RTK和PPP，理想情况下可以将GPS定位精度提高到厘米级。这些解决方案对应用环境很敏感：例如桥梁、树木和建筑物遮挡。我们确信，克服这一挑战改善高精度GPS定位可靠性的方法就是在GPS定位精度下降时引入高精度的IMU进行辅助。GPS/INS融合技术包括紧耦合和超紧耦合GPS/INS。这些技术即将出现在自动驾驶市场。

GPS接收器独自不能提供连续不间断的高精度位置信息，但通过接收遍布全球的卫星信号，可将定位信息精确到几米之内。校正卫星时钟误差和大气传播误差后，GPS接收器可通过实时动态（RTK）等算法技术将定位精确到2～4厘米左右。GPS接收器通常1 Hz或每秒更新一次位置信息，但是也可达到10Hz～20Hz来满足动态定位应用的需求。简而言之，路况最佳时，车辆在高速公路上每行驶10英尺左右就会更新一次GPS位置信息。

IMU可用来在GNSS ／ GPS接收器每次更新之间估计车辆的位置，以提高定位信息输出频率。此外，GPS接收器经常会在一些“不利于GPS信号”的环境（如在隧道和高楼附近）中丢失信号，这些情况下IMU就需要推算位置10秒、20秒甚至多达30秒，推算时间越长，IMU推算位置的误差就会越大。通常的自动驾驶系统允许的定位误差范围只有10～30 cm，虽然目前某些军用IMU和研究用的IMU能够提供这种性能，但高达五位数的价格令人望尘莫及。

基于MEMS的惯性测量单元能够提供切合汽车市场的尺寸和工艺，目前市场上的几种性能良好的MEMS IMU传感器，其陀螺仪偏置不稳定性（BI）为5°／h，角度随机游走（ARW）为0．5°／√h，加速度BI在10?g范围内。这些产品可以在GPS更新间隔之间提供有效而又平滑的位置信息。然而，当车辆穿过隧道或地下通道时，这些中等性能的IMU在几秒后就难以保持小于10 cm的位置精度。目前最先进的MEMS惯性传感器正在努力达到陀螺仪BI接近1°／h，ARW为0．1°／√h的指标。一旦达到相应的技术水平，GPS＋IMU的组合导航系统将能满足高级别自动驾驶应用所需的性能。

总结

尽管消费和工业市场可以接受基于MEMS的陀螺仪／加速度计的故障率，但它能满足汽车企业对低故障率和使用寿命的需求吗？这将是IMU器件开发人员面临的另一大挑战。

每个人都翘首以盼自动驾驶汽车能够早日取代现有的老式车辆，释放车库和停车场的宝贵空间，让我们的道路更加安全高效。目前，全球数以万计的工程师正致力于开发下一代传感技术，以早日实现交通运输领域这一里程碑式的发展。

IMU器件技术和INS导航技术可能不为大众所熟知，但毫无疑问，它们是确保自动驾驶汽车安全高效的基本要素。

利科夫MG-200 MEMS IMU