自動(dòng)駕駛中的IMU

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）慣性測(cè)量單元一直都是MEMS領(lǐng)域中極為重要的一類(lèi)產(chǎn)品，不管是在消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化還是汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。將加速度傳感器、陀螺儀等MEMS器件（有些還會(huì)集成磁力計(jì)和氣壓計(jì)）集成在一起的IMU沿著三個(gè)正交軸測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度和線性加速度。

近年來(lái)，汽車(chē)的智能化發(fā)展推動(dòng)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的相關(guān)器件的發(fā)展，根據(jù)Yole Development數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，IMU市場(chǎng)規(guī)模將在2022年超過(guò)9億美元。自動(dòng)駕駛車(chē)輛想要實(shí)現(xiàn)對(duì)道路狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，前提就是自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須具備超強(qiáng)的檢測(cè)感知能力。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是L3及以上等級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)輛不可或缺的模塊，能夠在GPS、GNSS、5G等外部信號(hào)不佳時(shí)通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)定位，IMU則是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部件。



加速度與角度

加速度計(jì)的測(cè)量可以用來(lái)直流或者低頻角度跟蹤機(jī)制。從整個(gè)測(cè)量計(jì)算過(guò)程來(lái)看，本質(zhì)上加速度計(jì)不會(huì)像陀螺儀那樣存在累加或積分誤差。也就是說(shuō)在出現(xiàn)偏置誤差或其他誤差時(shí)，這些誤差雖然會(huì)持續(xù)存在，但不會(huì)累積。

但加速度也有一些要求較高的地方，加速度計(jì)會(huì)根據(jù)速度的變化做出反應(yīng)，比如振動(dòng)、加速、減速，加速度計(jì)的協(xié)方差項(xiàng)可以用來(lái)檢測(cè)振動(dòng)，通過(guò)其他監(jiān)測(cè)裝置可以知曉加速度計(jì)何時(shí)超出量程，這些都需要在系統(tǒng)級(jí)算法開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)這些情況進(jìn)行管理。這些情況都是需要傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)根據(jù)環(huán)境變化做出調(diào)整然后選擇最佳的數(shù)據(jù)再進(jìn)行使用。

陀螺儀能測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率，針對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)積分計(jì)算可以得到動(dòng)態(tài)角度。這些計(jì)算需要進(jìn)行多次，一個(gè)系統(tǒng)跟蹤陀螺儀的時(shí)間平均在100s左右。陀螺儀加上一些實(shí)時(shí)協(xié)方和其他可信指標(biāo)來(lái)判斷車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)需要隨時(shí)間流逝不斷校準(zhǔn)偏置。

典型的反饋檢測(cè)就是把IMU在制導(dǎo)和導(dǎo)航控制系統(tǒng)中用作反饋檢測(cè)元件，通過(guò)直接慣性測(cè)量來(lái)發(fā)揮作用。在自動(dòng)駕駛中，IMU的反饋檢測(cè)可以控制汽車(chē)軌跡，既監(jiān)控駕駛又修復(fù)駕駛中發(fā)生的行駛偏差。IMU系統(tǒng)修正方向控制，結(jié)合視覺(jué)或者其他導(dǎo)航技術(shù)完成整個(gè)自動(dòng)駕駛過(guò)程。

自動(dòng)駕駛IMU關(guān)鍵誤差

在IMU進(jìn)行部署時(shí)，需要考慮估算初始姿態(tài)角度和估算陀螺儀誤差，需要讓這二者能在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中保持全幀對(duì)齊。在這個(gè)過(guò)程中，加速度計(jì)時(shí)主要的限制點(diǎn)，需要極快的偏置誤差處理時(shí)間才能判斷初始姿態(tài)。這和IMU的偏置可重復(fù)性指標(biāo)相關(guān)，1mg的偏置可重復(fù)性大概會(huì)帶來(lái)0.06°的誤差，盡可能小的誤差能從最開(kāi)始就提高系統(tǒng)性能。

陀螺儀上，噪聲、線性振動(dòng)和離軸旋轉(zhuǎn)的影響則是三個(gè)最影響器件效果的因素。一般來(lái)說(shuō)，這三個(gè)因素并不會(huì)有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，但是這不能代表每個(gè)傳感器都是如此，在選用IMU時(shí)必須對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

這和MEMS制造工藝息息相關(guān)，更好的穩(wěn)定性和更低的噪聲測(cè)量出的艾倫方差也會(huì)更低。器件本身的制造工藝之外，算法優(yōu)化也至關(guān)重要。不做算法優(yōu)化的情況下，慣導(dǎo)底層傳感器的零漂每小時(shí)都會(huì)產(chǎn)生零漂，然后隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的累積誤差會(huì)很快發(fā)散形象估算結(jié)果。

自動(dòng)駕駛IMU進(jìn)化

在自動(dòng)駕駛設(shè)備的發(fā)展中，IMU應(yīng)用的基本流程是沒(méi)有太大變化的，室外場(chǎng)景使用GPS加IMU的組合，通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，為導(dǎo)航系統(tǒng)盡可能提供低延遲的位置信息。不過(guò)這些系統(tǒng)中的元件在不斷進(jìn)化，性能增強(qiáng)提高了這種導(dǎo)航系統(tǒng)的上限。

不只是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，更小的尺寸、更高的集成度、更少的成本、更準(zhǔn)確的測(cè)量是IMU在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。我們也知道，IMU具有獨(dú)有的自恃性，自身并不能很好地解決漂移、噪聲，尤其是零偏不穩(wěn)定性，因此常需要與另一傳感器進(jìn)行融合補(bǔ)足。

除了常見(jiàn)的GPS＋I(xiàn)MU的方案，機(jī)器視覺(jué)、UWB、激光雷達(dá)等各種傳感定位技術(shù)與IMU的融合進(jìn)化也在自動(dòng)駕駛中發(fā)揮出重要作用。

算法層面結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模式賦予導(dǎo)航系統(tǒng)更多的算法規(guī)則，傳感器融合更先進(jìn)濾波和算法處理也大大提升了行駛過(guò)程中車(chē)輛的位姿估算準(zhǔn)確度。有些廠商還在IMU中加入ML內(nèi)核，讓IMU上多出一個(gè)硬連線處理引擎來(lái)直接在傳感器層面進(jìn)行AI計(jì)算，增強(qiáng)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)能力并處理更為復(fù)雜的自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)。

小結(jié)

自動(dòng)駕駛由感知、決策、執(zhí)行三大系統(tǒng)組成，傳感器作為汽車(chē)核心感知層，是車(chē)輛保證位置感的基礎(chǔ)。用于導(dǎo)航平臺(tái)穩(wěn)定控制和導(dǎo)航的高性能MEMS IMU已經(jīng)成為自動(dòng)駕駛丟失衛(wèi)星定位后最后的一道防線。