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自動(dòng)駕駛之高精度定位

2020-03-14 02:08:19·  來(lái)源：清研車(chē)聯(lián)  
　
昨天來(lái)源 |清研車(chē)聯(lián)知圈 |進(jìn)ISO26262社群，請(qǐng)加微13636581676，備注ISO定位（Location）和導(dǎo)航（Navigation）技術(shù)是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供載體（如自動(dòng)駕駛車(chē)輛）的運(yùn)動(dòng)信
定位（Location）和導(dǎo)航（Navigation）技術(shù)是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供載體（如自動(dòng)駕駛車(chē)輛）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。自動(dòng)駕駛往往采用的是多傳感器融合定位的方式。本文主要講解IMU在自動(dòng)駕駛定位中的應(yīng)用

1.  高精度定位的工作原理

在無(wú)人車(chē)感知層面，定位的重要性不言而喻，無(wú)人車(chē)需要知道自己相對(duì)于環(huán)境的一個(gè)確切位置，這里的定位不能存在超過(guò)10cm的誤差。

GPS可以為車(chē)輛提供精度為米級(jí)的絕對(duì)定位，差分GPS或RTK GPS可以為車(chē)輛提供精度為厘米級(jí)的絕對(duì)定位，然而并非所有的路段在所有時(shí)間都可以得到良好的GPS信號(hào)。因此，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，RTK GPS的輸出一般都要與IMU，汽車(chē)自身的傳感器(如輪速計(jì)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器等)進(jìn)行融合。

IMU的全稱(chēng)是inertial measurement unit，即慣性測(cè)量單元，通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成，通過(guò)對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量得出自體的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們把傳統(tǒng)的IMU和與車(chē)身、GPS等信息融合的算法組合在一起的系統(tǒng)稱(chēng)為廣義的、針對(duì)自動(dòng)駕駛的IMU。

這個(gè)技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了 GPS 定位的不足，兩者相輔相成，可以讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)獲得最準(zhǔn)確的定位信息。

目前使用最廣泛的無(wú)人車(chē)定位方法當(dāng)屬融合全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System）定位方法。

 
組合導(dǎo)航涉及到復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，需要先對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)做初始校準(zhǔn)。一般是借助參考導(dǎo)航系統(tǒng)（如GNSS）給慣導(dǎo)系統(tǒng)一個(gè)初始位置值（目的是建立地理坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系的初始坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣）和初始速度值；通過(guò)IMU本身的測(cè)量值或借助測(cè)量?jī)x器（傾角儀或雙天線(xiàn)高精度GPS定向系統(tǒng)）獲得初始姿態(tài)角（IMU輸出的是載體坐標(biāo)系相對(duì)于當(dāng)?shù)厮綄?dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)角，也叫歐拉角），對(duì)四元數(shù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行初始化。

對(duì)于室內(nèi)定位系統(tǒng)，需將自定義的局域直角坐標(biāo)系（一般選擇定位區(qū)域的某個(gè)角作為原點(diǎn)，邊界線(xiàn)作為x軸，右手準(zhǔn)則確定y軸，垂直地面向上作為z軸）作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，由于二者都是直角坐標(biāo)系但坐標(biāo)系的原點(diǎn)和方向不一樣，需要進(jìn)行原點(diǎn)位移和坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，因此也需要初始對(duì)準(zhǔn)。

初始對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后進(jìn)入慣導(dǎo)推算過(guò)程，讀取IMU的角速度測(cè)量值更新四元數(shù)和姿態(tài)變換矩陣，進(jìn)而更新速度和位置，最后還可以將速度和位置轉(zhuǎn)換到其他目標(biāo)坐標(biāo)系上進(jìn)行表達(dá)，例如GNSS的經(jīng)緯高地球坐標(biāo)系。

 
2.  高精度定位的方法

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

1 慣性導(dǎo)航 INS

 
目前自動(dòng)駕駛常用的慣性測(cè)量單元（IMU），按照精度分可以為兩類(lèi)：

第一類(lèi)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(chē)輛。

第二類(lèi)是基于微機(jī)電系統(tǒng)（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)，但缺點(diǎn)是誤差大。如果把它應(yīng)用在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中，其需要經(jīng)過(guò)比較復(fù)雜的處理。

為了從IMU的原始數(shù)據(jù)得出導(dǎo)航定位輸出，定位系統(tǒng)需要進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（SINS）解算，解算包括下面四個(gè)模塊：
1. 通過(guò)陀螺輸出的角速度信息積分得到姿態(tài)信息
2. 通過(guò)姿態(tài)信息對(duì)加速度計(jì)輸出的比力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由載體坐標(biāo)系得到導(dǎo)航坐標(biāo)系
3. 進(jìn)行重力計(jì)算，有害加速度、地球自轉(zhuǎn)角速度等補(bǔ)償計(jì)算
4. 由加速度信息積分得到速度與位置

不過(guò)需要注意的是，積分過(guò)程造成的輸出誤差會(huì)隨著工作時(shí)間發(fā)生積累。

2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS

全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位是基于測(cè)距的絕對(duì)定位方案，其輸出誤差不會(huì)隨著工作時(shí)間以及載體運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位的一個(gè)顯著特點(diǎn)是由單頻單系統(tǒng)向多頻多系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，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。

另一個(gè)顯著特點(diǎn)是精密定位，已在民用領(lǐng)域得到廣泛應(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)域都有所應(yīng)用。

然而由于GNSS是基于衛(wèi)星定位的導(dǎo)航，這極大增加了定位的影響因子，也增大了定位結(jié)果的不確定性。

另外一個(gè)脆弱性體現(xiàn)在信號(hào)干擾上。如果自動(dòng)駕駛車(chē)輛本身以及加裝設(shè)備導(dǎo)致車(chē)輛的電磁環(huán)境非常惡劣。

3 高精地圖與線(xiàn)上激光 lidar 點(diǎn)云匹配定位

 
通過(guò)事先建立的高精度地圖，配合線(xiàn)上的激光點(diǎn)云，定位系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位和厘米級(jí)高精度。這種方法的局限性則是增加了定位系統(tǒng)對(duì)高精地圖的依賴(lài)。

4 里程計(jì)

 
自動(dòng)駕駛獲得車(chē)輪信息的方式有兩種：外接和內(nèi)置。

外接輪式傳感器的特點(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，一般更適用于地圖采集車(chē)。

內(nèi)置輪式傳感器的特點(diǎn)是無(wú)需外接設(shè)備，缺點(diǎn)是精度低，誤差比較大，如果用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛，則需要經(jīng)過(guò)多重的處理才行。

不論是采用哪種方式，輪式傳感器對(duì)于定位系統(tǒng)都十分重要。

5 結(jié)合車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性的運(yùn)動(dòng)約束

 
這種運(yùn)動(dòng)約束能保證極端的情況下，自動(dòng)駕駛車(chē)輛的定位結(jié)果不至于產(chǎn)生極大的誤差。

3.  在無(wú)人駕駛中的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛定位的方法不一而足，其涉及傳感器也各不相同。因此自動(dòng)駕駛往往采用的是多傳感器融合定位的方式。多傳感器融合定位一般包括以下幾個(gè)部分：

- 數(shù)據(jù)預(yù)處理：包括慣性導(dǎo)航解算，GNSS的質(zhì)量控制，激光雷達(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(xiàn)估計(jì)和補(bǔ)償。

- 基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和高精地圖的匹配定位。

- 四個(gè)核心模塊：

1.ZUPT/ZIHR/NHC，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)約束部分

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

3.Integrated，組合部分

4.FDI，故障檢測(cè)與隔離部分

- 安全相關(guān)的模塊：對(duì)于所有輸出的完好性監(jiān)測(cè)。

目前常用的導(dǎo)航定位優(yōu)化方法，仍然基于傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器（Kalman Filter），其優(yōu)化的指標(biāo)是使?fàn)顟B(tài)方差達(dá)到最小。一般建立卡爾曼濾波器模型，首先要選擇狀態(tài)變量，目前多是基于導(dǎo)航參數(shù)誤差和車(chē)載傳感器誤差，進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。隨后，通過(guò)一步預(yù)測(cè)和量測(cè)更新，狀態(tài)方程可以實(shí)現(xiàn)在時(shí)間域的遞推。

另外，定位系統(tǒng)的故障診斷與隔離可采用的傳統(tǒng)軟件方法有很多，比如卡方檢測(cè)等，另一方面則可以借助硬件上的冗余實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)配備多套 GNSS/IMU，定位系統(tǒng)能夠配合軟件解析余度實(shí)現(xiàn)多傳感器冗余，提高可靠性。

Apollo的GPS型號(hào)為NovAtel GPS-703-GGG-HV
IMU型號(hào)為NovAtel SPAN-IGM-A1

4.  產(chǎn)業(yè)

根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，從手機(jī)定位、運(yùn)動(dòng)手表的步數(shù)記錄，到自動(dòng)駕駛汽車(chē)的高精度定位，對(duì) IMU 的精度有不同的要求，精度高，也意味著成本高。

精度更高的 IMU 會(huì)用于導(dǎo)彈或航天飛機(jī)。

為了讓 IMU 獲得更高的精度，在三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)陀螺儀的基礎(chǔ)上，很多廠(chǎng)商還會(huì)添加磁力計(jì)，為了提高可靠性，有的還會(huì)增加傳感器的數(shù)量。

常見(jiàn)IMU廠(chǎng)商：

ADI

ADI 公司的 MEMS IMU 傳感器以多軸方式組合精密陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力傳感器。ADI 可以可靠地檢測(cè)并處理多個(gè)自由度(DoF) 即便是極為復(fù)雜的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)環(huán)境下。這些即插即用型解決方案包括完整的出廠(chǎng)校準(zhǔn)、嵌入式補(bǔ)償和傳感器處理以及簡(jiǎn)單的可編程接口。

博世

博世的 IMU 模塊主要應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人，以及一些消費(fèi)類(lèi)的產(chǎn)品中。博世將兩個(gè) 3 軸 MEMS 傳感器集成到一個(gè)封裝中，IMU 中的加速度傳感器和陀螺儀的組合可以滿(mǎn)足高級(jí)消費(fèi)電子應(yīng)用的需求，例如智能手機(jī)中的游戲控制臺(tái)或游戲應(yīng)用。

深迪半導(dǎo)體

深迪半導(dǎo)體是國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家能將三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)集成到一個(gè)芯片中的廠(chǎng)商，深迪的 IMU 具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，適用于消費(fèi)電子市場(chǎng)，如穩(wěn)定平臺(tái)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等。 
 
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