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自動(dòng)駕駛復(fù)雜環(huán)境下高精度定位技術(shù)解析

2019-06-29 23:23:19·  來(lái)源：無(wú)人車情報(bào)局  作者：崔留爭(zhēng)  
　
定位/導(dǎo)航負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供載體的運(yùn)動(dòng)信息，包括載體的：位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速度等信息。01 自動(dòng)駕駛對(duì)定位系統(tǒng)的基本要求：1. 高精度：達(dá)到厘米級(jí)。2. 高

定位/導(dǎo)航負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供載體的運(yùn)動(dòng)信息，包括載體的：位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速度等信息。

01  自動(dòng)駕駛對(duì)定位系統(tǒng)的基本要求：

1. 高精度：達(dá)到厘米級(jí)。

2. 高可用性：保持它的穩(wěn)定性，自動(dòng)駕駛測(cè)試已經(jīng)從封閉的場(chǎng)景轉(zhuǎn)移到更開放的場(chǎng)景，這要求我們定位系統(tǒng)能處理更多更復(fù)雜的情況。

3. 高可靠性：整個(gè)定位的輸出是感知，規(guī)劃與控制的輸入，如果定位系統(tǒng)出現(xiàn)偏差將會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。

4. 自主完好性檢測(cè)：因?yàn)槲覀兿到y(tǒng)的可靠性只能做到非常接近100%，但是難以達(dá)到真正的100%，這要求我們?cè)跊](méi)有辦法提供準(zhǔn)確的輸出的時(shí)候，能及時(shí)的警告用戶，采取措施，避免發(fā)生事故。對(duì)它的要求就是要保證較低的虛警率與漏警率。
 

為了滿足自動(dòng)駕駛對(duì)導(dǎo)航與定位的要求，采用的方法有：

- 慣性導(dǎo)航 INS

- 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS

- 高精地圖與線上激光 lidar 點(diǎn)云匹配定位

- 里程計(jì)

- 結(jié)合車輛運(yùn)動(dòng)特性的運(yùn)動(dòng)約束


02  慣性測(cè)量單元 IMU 

接下來(lái)介紹下慣性測(cè)量單元 IMU ，目前自動(dòng)駕駛常用的按照精度分為兩類：

一種是基于光纖陀螺 FOG 的 IMU ，它的特點(diǎn)是精度高，但同時(shí)成本也高，一般應(yīng)用于精度要求較高的地圖采集車輛。

第二種是基于 MEMS 器件的 IMU ，它的特點(diǎn)是體積小，成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是誤差大，如果把它應(yīng)用在自動(dòng)駕駛測(cè)試車輛中，需經(jīng)過(guò)比較復(fù)雜的處理。
 

為了有 IMU 輸出的原始數(shù)據(jù)得到導(dǎo)航定位輸出，需要進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 ( SINS ) 解算，包括這樣的幾個(gè)模塊：

1. 陀螺輸出角速度信息積分得到姿態(tài)

2. 采用姿態(tài)信息對(duì)加速度計(jì)輸出的比力做轉(zhuǎn)換，由載體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系

3. 重力計(jì)算，有害加速度，地球自轉(zhuǎn)角速度等補(bǔ)償

4. 加速度信息積分得到速度與位置

由于積分過(guò)程的存在，造成輸出誤差隨著工作時(shí)間發(fā)生積累。
 

03  全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航
下面介紹下全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航，它是基于測(cè)定的絕對(duì)定位方案，誤差不會(huì)隨著工作時(shí)間以及載體運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。

目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是由單頻單系統(tǒng)向多頻多系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，比如我們國(guó)家的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，俄羅斯的 Glonass ，歐盟的 Galileo 等。這幅圖是北京某一天所能接收到的衛(wèi)星信號(hào)的星空?qǐng)D，可見基本可以保證在任意時(shí)間我們都能收到35顆以上的衛(wèi)星。多頻多系統(tǒng)在極大的程度上提高了我們導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性與可用性。
 

另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是精密定位，在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是基于載波相位動(dòng)態(tài)差分的 RTK 技術(shù)在智能駕考，無(wú)人機(jī)，精密農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得的了普遍的應(yīng)用。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域他的優(yōu)點(diǎn)是：

- 厘米級(jí)定位精度

- 雙天線測(cè)向

精密定位在提高定位精度的同時(shí)，由于需要基站信息，這也增加了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于基站（基站服務(wù)提供商）和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的依賴。
 

因?yàn)?GNSS 是基于衛(wèi)星定位的導(dǎo)航，具有非常脆弱的特點(diǎn)：
 
我們?cè)诔鞘欣锝?jīng)常會(huì)遇到城市峽谷，使我們沒(méi)辦法接收低仰角的衛(wèi)星信號(hào)，極大的增加了我們定位的因子，增大了定位結(jié)果的不確定性。另外一個(gè)是信號(hào)干擾，車輛本身及加裝設(shè)備等使車輛的電磁環(huán)境非常惡劣，如果處理不得當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)的收星及觀測(cè)值的質(zhì)量。
 

接下來(lái)是基于高清度地圖匹配定位，它是事先建立的高精度地圖，配合我們線上的激光點(diǎn)云，可以做到絕對(duì)定位，厘米級(jí)高精度，它的一個(gè)顯著的局限性是增加了我們對(duì)高精地圖的依賴。
 

另外一個(gè)是輪式傳感器 Wheel Sensor ，自動(dòng)駕駛目前獲得車輪的信息有兩種方法：外接和內(nèi)置。

外接，它的特點(diǎn)是分辨率和精度都非常高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性難以保證，通常用于我們的地圖采集車。

內(nèi)置傳感，它的特點(diǎn)是無(wú)需外接設(shè)備，缺點(diǎn)是精度低，誤差比較大，如果用于測(cè)試車輛需要經(jīng)過(guò)很多的處理才可以。

另外，IMU 的敏感軸，很難保證與車的運(yùn)動(dòng)方向是完全平行的，所以需要做一個(gè)精確的標(biāo)定，除了輪速的輸出，要得到有用的車速信息和里程信息，需要做一些推算，需要一些車輪的參數(shù)，而車輪的參數(shù)會(huì)隨著我們的工況發(fā)生變化，所以我們需要對(duì)它做在線的估計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中，我們的計(jì)算誤差會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)的距離發(fā)生積累，且會(huì)受到路況的影響，比如輪胎打滑或者過(guò)減速帶。
 

我們還可以結(jié)合車輛的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)做些約束。比如我們可以通過(guò)一些方法檢測(cè)車輛是否處于靜止，這樣就可以假設(shè)在靜止的時(shí)候速度等于0，可以保證我們?cè)跇O端的情況下，我們的定位結(jié)果不發(fā)生很大的誤差。我們可以加入一些車輛橫向或者縱向的約束條件加入到多傳感器融合的系統(tǒng)中。
 

在獲得傳感器輸出數(shù)據(jù)之后，我們整個(gè)多傳感器融合定位，包括幾個(gè)部分：

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理，將慣性導(dǎo)航解算，GNSS 的質(zhì)量控制，雷達(dá)數(shù)據(jù)的誤差補(bǔ)償，還有基于輪式傳感器的計(jì)算，以及在線估計(jì)和補(bǔ)償。

2. 基于雷達(dá)數(shù)據(jù)和高精地圖的匹配定位。

3. 四個(gè)核心模塊：

- ZUPT/ZIHR/NHC，車輛運(yùn)動(dòng)約束部分

- INS Alignment，慣性導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)部分

- Integrated，組合部分

- FDI，故障檢測(cè)與隔離部分

4. 安全相關(guān)的模塊，就是對(duì)于輸出的完好性監(jiān)測(cè)。
 

目前我們的導(dǎo)航定位優(yōu)化方法，還是基于傳統(tǒng)得卡爾曼濾波器，其優(yōu)化的一個(gè)指標(biāo)是使?fàn)顟B(tài)方差達(dá)到最小。在建立 Kalman Filter 模型的時(shí)候，首先要選擇狀態(tài)變量，目前我們還是基于導(dǎo)航參數(shù)誤差+車載的傳感器誤差，作為狀態(tài)估計(jì)。然后狀態(tài)方程通過(guò)一步預(yù)測(cè)和量測(cè)更新，實(shí)現(xiàn)我們?cè)跁r(shí)間域的遞推。
 

下面簡(jiǎn)單介紹下故障診斷與隔離，傳統(tǒng)的軟件方法有很多，比如卡方檢測(cè)等，另外是硬件上的冗余。如果我們可以配備多套 GNSS/IMU ，我們可以配合軟件解析余度實(shí)現(xiàn)多個(gè)冗余，來(lái)提高可靠性。

04  典型場(chǎng)景：



首先是一個(gè)非常典型的場(chǎng)景，視野非常開闊，這時(shí)我們可以利用，Gnss/Rtk ，Scan Math Pose 作為量測(cè)量校準(zhǔn) IMU/ Wheel sensor 誤差，并作出補(bǔ)償。
 

這個(gè)場(chǎng)景是我們的車輛運(yùn)行在一個(gè)激光雷達(dá)縱向特征非常不明顯的橋上，導(dǎo)致我們的高精定位在縱向上失效情況。解決辦法是使用 GNSS， IMU，Wheel Sensor 信息，檢測(cè) scan match 縱向失效情況， 使其不影響定位系統(tǒng)輸出。
 

上面這個(gè)場(chǎng)景是我們的激光雷達(dá)由于點(diǎn)云被遮擋，導(dǎo)致我們與高精地圖匹配定位失敗，這要求我們整個(gè)系統(tǒng)能不依賴于匹配定位，也能輸出非?？煽康慕Y(jié)果。
 

這倆個(gè)場(chǎng)景是對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航來(lái)說(shuō)非常惡劣的場(chǎng)景，需要我們從傳感器融合部分去處理，使其具有野值的剔除能力，以及對(duì)它參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。
 

這個(gè)場(chǎng)景更極端，是車輛穿越高架橋的下面，導(dǎo)致我們整個(gè)衛(wèi)星定位導(dǎo)航失敗，此時(shí)需要我們的系統(tǒng)能獨(dú)立于衛(wèi)星導(dǎo)航，也能可靠的工作，得到可靠的結(jié)果。
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