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隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)日趨成熟。車輛通過感知周圍世界來(lái)進(jìn)行自主導(dǎo)航，但這一切都基于對(duì)車輛定位精確性和安全性的承諾和保障。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的各種復(fù)雜功能，精確而又可靠的位置信息開始變得不可或缺。
感知傳感器作為自動(dòng)駕駛主動(dòng)決策的主要信息來(lái)源，可以感知車輛周圍的世界。包括雷達(dá)，激光雷達(dá)，紅外，超聲波和攝像機(jī)視覺等，但所有這些都需要強(qiáng)大的計(jì)算能力作為支撐后盾。
導(dǎo)航系統(tǒng)能夠告訴自動(dòng)駕駛汽車它們?cè)谀睦铮鼈冃枰ツ睦?。這些系統(tǒng)由GNSS/GPS接收機(jī)和INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))組成，而慣導(dǎo)系統(tǒng)包括慣性運(yùn)動(dòng)傳感器和來(lái)自里程計(jì)和轉(zhuǎn)向傳感器的輸入。
長(zhǎng)期以來(lái)，基于MEMS的慣性傳感器(如陀螺儀和加速度計(jì))已作為分立元件應(yīng)用于車輛的碰撞檢測(cè)、安全氣囊彈出和電子穩(wěn)定性控制。使用MEMS或光纖技術(shù)的高端IMU(慣性測(cè)量單元)通常用于飛機(jī)和戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)系統(tǒng)，其性能比傳統(tǒng)MEMS傳感器高出10到1,000倍。
隨著自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)和安全標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步和完善，IMU和INS所需的定位精度已接近航空航天和戰(zhàn)術(shù)級(jí)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)——統(tǒng)一且可靠的厘米級(jí)精度，而非米級(jí)精度。
截止目前，能夠達(dá)到這種性能水平和安全性的IMU對(duì)于汽車等大批量市場(chǎng)來(lái)說依舊十分昂貴。但現(xiàn)在我們看到了設(shè)計(jì)和制造方面的創(chuàng)新，能夠使高性能IMU技術(shù)在廣泛的自動(dòng)化應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
為什么是IMU？
IMU是一個(gè)電子模塊，通過集成多個(gè)慣性傳感器以生成沿多個(gè)軸或自由度的加速度和角速度測(cè)量值。六自由度(DOF)IMU由三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)組成。使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)將這些傳感器隨時(shí)間變化的測(cè)量值進(jìn)行組合，可以進(jìn)行高精度的位置，速度，姿態(tài)或方向計(jì)算。航姿參考系統(tǒng)(AHRS)將磁力計(jì)讀數(shù)與IMU數(shù)據(jù)相結(jié)合，以計(jì)算航向，側(cè)傾和俯仰。INS添加了GPS以跟蹤物體的位置，方向和速度。
在典型的自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用中，INS結(jié)合交通路線、高清地圖以及感知傳感器系統(tǒng)來(lái)確定車輛路線以及如何進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)所有系統(tǒng)在良好的環(huán)境條件和衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，帶有傳統(tǒng)汽車級(jí)IMU的INS通常可提供足夠的定位精度和可靠性，以確保安全運(yùn)行。
然而，外部條件往往并不理想。通常，由于城市峽谷、隧道、立交橋、多路徑誤差或衛(wèi)星覆蓋范圍較差時(shí)，GPS信號(hào)會(huì)丟失或減弱。除此之外，車輛還可能會(huì)遇到其他棘手的狀況，例如降水或反射面，這可能會(huì)影響相機(jī)、激光雷達(dá)或雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的性能和完整性。
當(dāng)用于導(dǎo)航的其他傳感器數(shù)據(jù)異常或者由于環(huán)境原因中斷時(shí)，導(dǎo)航任務(wù)會(huì)轉(zhuǎn)向于依賴航位推算系統(tǒng)。這時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要依賴于IMU，車輪輪速傳感器以及視覺傳感器。此時(shí)，使用合適級(jí)別的IMU就尤為重要，無(wú)論環(huán)境條件如何，IMU都能持續(xù)感知并提供位置信息。
MEMS器件中固有的偏差和漂移誤差會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)，需要及時(shí)消除。另外，沒有被補(bǔ)償消除的誤差會(huì)累積成位置誤差，而在溫度和時(shí)間上經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的高端IMU可以大大減少這些誤差源。內(nèi)置冗余的IMU可提供更高精度的位置估計(jì)，并為整個(gè)自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)和傳感器融合網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)更高的安全性、完整性和可靠性。
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)
在精密INS定位中另一個(gè)令人矚目的發(fā)展趨勢(shì)是GNSS RTK(衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。RTK與IMU數(shù)據(jù)適當(dāng)融合后，可將GPS定位精度提高100倍，從米級(jí)精度提高到厘米級(jí)精度。RTK技術(shù)通過消除電離層和對(duì)流層延遲，多徑，衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷誤差(由GPS接收器在位置計(jì)算中使用衛(wèi)星的位置造成的誤差)來(lái)完善從GPS信號(hào)接收的位置數(shù)據(jù)。 RTK系統(tǒng)使用測(cè)量級(jí)基站，該基站通過蜂窩信號(hào)向移動(dòng)站(移動(dòng)的物體或車輛)廣播校正。通過復(fù)雜算法和卡爾曼濾波器將校正數(shù)據(jù)與GPS和IMU數(shù)據(jù)融合，來(lái)實(shí)時(shí)輸出流動(dòng)站的精確位置。
截至目前，RTK和其他類似服務(wù)仍需高昂的價(jià)格和漫長(zhǎng)的獲取時(shí)間。因此，它們主要用于農(nóng)業(yè)，土地調(diào)查和施工應(yīng)用。隨著自動(dòng)駕駛汽車的普及及其對(duì)精確定位的需求，催生了可跨地域擴(kuò)展的新型RTK軟件，該軟件經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于集成，并優(yōu)化補(bǔ)充了自動(dòng)駕駛汽車傳感器融合定位導(dǎo)航功能。
對(duì)于任何一輛自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說，精確地了解自己的位置和周圍環(huán)境、目的地以及如何到達(dá)目的地都至關(guān)重要。盡管當(dāng)下尚不確定無(wú)人駕駛汽車何時(shí)會(huì)成為消費(fèi)產(chǎn)品，但這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在一些行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合先進(jìn)的IMU和RTK，有望進(jìn)一步提高和完善系統(tǒng)性能、安全性和完整性，早日使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大眾化。
(原標(biāo)題：為自動(dòng)駕駛汽車提供更精準(zhǔn)的定位 下一代慣性測(cè)量技術(shù)能夠以厘米級(jí)精度確定自動(dòng)駕駛汽車的位置)
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