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自動駕駛之高精度定位

2020-03-14 02:08:19·  來源：清研車聯(lián)  
　
昨天來源 |清研車聯(lián)知圈 |進ISO26262社群，請加微13636581676，備注ISO定位（Location）和導(dǎo)航（Navigation）技術(shù)是負責實時提供載體（如自動駕駛車輛）的運動信
定位（Location）和導(dǎo)航（Navigation）技術(shù)是負責實時提供載體（如自動駕駛車輛）的運動信息，包括載體的位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速度等。自動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在自動駕駛定位中的應(yīng)用

1.  高精度定位的工作原理

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

GPS可以為車輛提供精度為米級的絕對定位，差分GPS或RTK GPS可以為車輛提供精度為厘米級的絕對定位，然而并非所有的路段在所有時間都可以得到良好的GPS信號。因此，在自動駕駛領(lǐng)域，RTK GPS的輸出一般都要與IMU，汽車自身的傳感器(如輪速計、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等)進行融合。

IMU的全稱是inertial measurement unit，即慣性測量單元，通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成，通過對加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測量得出自體的運動軌跡。我們把傳統(tǒng)的IMU和與車身、GPS等信息融合的算法組合在一起的系統(tǒng)稱為廣義的、針對自動駕駛的IMU。

這個技術(shù)的出現(xiàn)彌補了 GPS 定位的不足，兩者相輔相成，可以讓自動駕駛汽車獲得最準確的定位信息。

目前使用最廣泛的無人車定位方法當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)雜的坐標系轉(zhuǎn)換，需要先對慣導(dǎo)系統(tǒng)做初始校準。一般是借助參考導(dǎo)航系統(tǒng)（如GNSS）給慣導(dǎo)系統(tǒng)一個初始位置值（目的是建立地理坐標系和地球坐標系的初始坐標轉(zhuǎn)換矩陣）和初始速度值；通過IMU本身的測量值或借助測量儀器（傾角儀或雙天線高精度GPS定向系統(tǒng)）獲得初始姿態(tài)角（IMU輸出的是載體坐標系相對于當?shù)厮綄?dǎo)航坐標系的姿態(tài)角，也叫歐拉角），對四元數(shù)和坐標轉(zhuǎn)換矩陣進行初始化。

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

初始對準結(jié)束后進入慣導(dǎo)推算過程，讀取IMU的角速度測量值更新四元數(shù)和姿態(tài)變換矩陣，進而更新速度和位置，最后還可以將速度和位置轉(zhuǎn)換到其他目標坐標系上進行表達，例如GNSS的經(jīng)緯高地球坐標系。

 
2.  高精度定位的方法

為了滿足自動駕駛對導(dǎo)航與定位的要求，采用的方法有：

1 慣性導(dǎo)航 INS

 
目前自動駕駛常用的慣性測量單元（IMU），按照精度分可以為兩類：

第一類是基于光纖陀螺（FOG）的IMU，它的特點是精度高，但同時成本也高，一般應(yīng)用于精度要求較高的地圖采集車輛。

第二類是基于微機電系統(tǒng)（MEMS）器件的IMU，它的特點是體積小，成本低，環(huán)境適應(yīng)性強，但缺點是誤差大。如果把它應(yīng)用在自動駕駛車輛中，其需要經(jīng)過比較復(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)需要進行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（SINS）解算，解算包括下面四個模塊：
1. 通過陀螺輸出的角速度信息積分得到姿態(tài)信息
2. 通過姿態(tài)信息對加速度計輸出的比力進行轉(zhuǎn)換，由載體坐標系得到導(dǎo)航坐標系
3. 進行重力計算，有害加速度、地球自轉(zhuǎn)角速度等補償計算
4. 由加速度信息積分得到速度與位置

不過需要注意的是，積分過程造成的輸出誤差會隨著工作時間發(fā)生積累。

2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS

全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位是基于測距的絕對定位方案，其輸出誤差不會隨著工作時間以及載體運動而發(fā)生變化。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位的一個顯著特點是由單頻單系統(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。

另一個顯著特點是精密定位，已在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是基于載波相位動態(tài)差分的RTK技術(shù)，在智能駕考、無人機、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。

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

3 高精地圖與線上激光 lidar 點云匹配定位

 
通過事先建立的高精度地圖，配合線上的激光點云，定位系統(tǒng)也能實現(xiàn)絕對定位和厘米級高精度。這種方法的局限性則是增加了定位系統(tǒng)對高精地圖的依賴。

4 里程計

 
自動駕駛獲得車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是分辨率和精度都非常高，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性難以保證，一般更適用于地圖采集車。

內(nèi)置輪式傳感器的特點是無需外接設(shè)備，缺點是精度低，誤差比較大，如果用于自動駕駛車輛，則需要經(jīng)過多重的處理才行。

不論是采用哪種方式，輪式傳感器對于定位系統(tǒng)都十分重要。

5 結(jié)合車輛運動特性的運動約束

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

3.  在無人駕駛中的應(yīng)用

自動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，激光雷達數(shù)據(jù)的誤差補償，還有基于輪式傳感器的計算以及在線估計和補償。

- 基于激光雷達數(shù)據(jù)和高精地圖的匹配定位。

- 四個核心模塊：

1.ZUPT/ZIHR/NHC，車輛運動約束部分

2.INS Alignment，慣性導(dǎo)航初始對準部分

3.Integrated，組合部分

4.FDI，故障檢測與隔離部分

- 安全相關(guān)的模塊：對于所有輸出的完好性監(jiān)測。

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)化的指標是使狀態(tài)方差達到最小。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)誤差和車載傳感器誤差，進行狀態(tài)估計。隨后，通過一步預(yù)測和量測更新，狀態(tài)方程可以實現(xiàn)在時間域的遞推。

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，比如卡方檢測等，另一方面則可以借助硬件上的冗余實現(xiàn)。例如，通過配備多套 GNSS/IMU，定位系統(tǒng)能夠配合軟件解析余度實現(xiàn)多傳感器冗余，提高可靠性。

Apollo的GPS型號為NovAtel GPS-703-GGG-HV
IMU型號為NovAtel SPAN-IGM-A1

4.  產(chǎn)業(yè)

根據(jù)不同的使用場景，從手機定位、運動手表的步數(shù)記錄，到自動駕駛汽車的高精度定位，對 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 會用于導(dǎo)彈或航天飛機。

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

常見IMU廠商：

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、磁力計和壓力傳感器。ADI 可以可靠地檢測并處理多個自由度(DoF) 即便是極為復(fù)雜的應(yīng)用和動態(tài)環(huán)境下。這些即插即用型解決方案包括完整的出廠校準、嵌入式補償和傳感器處理以及簡單的可編程接口。

博世

博世的 IMU 模塊主要應(yīng)用于無人機和機器人，以及一些消費類的產(chǎn)品中。博世將兩個 3 軸 MEMS 傳感器集成到一個封裝中，IMU 中的加速度傳感器和陀螺儀的組合可以滿足高級消費電子應(yīng)用的需求，例如智能手機中的游戲控制臺或游戲應(yīng)用。

深迪半導(dǎo)體

深迪半導(dǎo)體是國內(nèi)少數(shù)幾家能將三軸陀螺儀和三軸加速度計集成到一個芯片中的廠商，深迪的 IMU 具有體積小、功耗低的特點，適用于消費電子市場，如穩(wěn)定平臺、車聯(lián)網(wǎng)、機器人等。 
 
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