利用導(dǎo)航輔助設(shè)備和傳感器確保車(chē)輛RF鏈路失靈時(shí)的安全

擁有雄厚財(cái)力的大公司正在積極尋求自動(dòng)駕駛汽車(chē)和機(jī)器;但由于存在生命和法律責(zé)任，設(shè)計(jì)師面臨著確保導(dǎo)航性能最佳的壓力。這意味著傳感器備份和冗余。

本文介紹了GPS和Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)導(dǎo)航輔助工具無(wú)法運(yùn)行的情況。然后，它將概述一種設(shè)計(jì)和實(shí)施方法，該方法使用替代和補(bǔ)充的導(dǎo)航輔助設(shè)備和傳感器用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛和機(jī)器人。特別是，它將指出有助于補(bǔ)償RF連接的位置和狀態(tài)的變幻莫測(cè)的選項(xiàng)。

技術(shù)采用的未感知的副作用

從產(chǎn)品的交付服務(wù)和披薩，來(lái)自“Total Recall”的Johnny Cabs，汽車(chē)制造商，零售商和服務(wù)公司（如優(yōu)步）都在為機(jī)器人和車(chē)輛提供大量資源，這些機(jī)器人和車(chē)輛具有位置感知能力并適應(yīng)其直接環(huán)境。

同時(shí)，聯(lián)邦政府已經(jīng)為各州監(jiān)管自動(dòng)駕駛汽車(chē)開(kāi)了綠燈，我們正處在一個(gè)不斷發(fā)展的時(shí)代，這項(xiàng)新技術(shù)剛剛開(kāi)始融入運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。作為設(shè)計(jì)工程師，我們需要確保安全地完成這項(xiàng)任務(wù)，特別是考慮到生命和責(zé)任的發(fā)揮。

雖然GPS等導(dǎo)航設(shè)備已經(jīng)變得幾乎不可或缺，但似乎我們?cè)揭蕾?lài)技術(shù)，即使我們的設(shè)備執(zhí)行的平凡任務(wù)，我們的能力也越差。它已經(jīng)到了人們依靠GPS導(dǎo)航他們每天遍歷的地方的地步。這可能會(huì)令人不安，特別是當(dāng)我們意識(shí)到我們的技術(shù)可能會(huì)失敗時(shí)。當(dāng)他們這樣做時(shí)，我們冒著無(wú)助的風(fēng)險(xiǎn);

例如，由于GPS系統(tǒng)努力實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的分辨率以確保準(zhǔn)確性和可靠性，有時(shí)候信號(hào)丟失可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的影響而沒(méi)有某種形式的系統(tǒng)備份。任何使用GPS的人都知道在進(jìn)入長(zhǎng)隧道時(shí)GPS信號(hào)會(huì)發(fā)生什么。

補(bǔ)償GPS信號(hào)丟失的一種常用技術(shù)是蜂窩地理定位。這僅依靠信號(hào)強(qiáng)度來(lái)獲得位置感。但是，由于手機(jī)信號(hào)塔可以識(shí)別自身，因此知道它們?cè)诘貓D上的物理存在位置意味著設(shè)備RF前端的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）功能可以使用該信息對(duì)大致位置進(jìn)行三角測(cè)量。

也就是說(shuō)，即使在手機(jī)信號(hào)塔之間，大氣條件也會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度。在蜂窩塔和自導(dǎo)航接收器之間隨機(jī)抽煙的隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)的事情會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度，足以導(dǎo)致位置不準(zhǔn)確。

蜂窩技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在允許其他技術(shù)，如載波相位比較和時(shí)間戳備份信號(hào)強(qiáng)度作為提高地理定位和位置分辨率的手段。并且，導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以使用蜂窩數(shù)據(jù)。

隨著時(shí)間的推移，更多固定信號(hào)源可用于導(dǎo)航自我感知系統(tǒng)，以確定其精確位置。例如，現(xiàn)代固定Wi-Fi節(jié)點(diǎn)被用作可以像導(dǎo)航信標(biāo)一樣工作的信號(hào)源。甚至無(wú)線(xiàn)電臺(tái)和中繼器也可用于此目的。

盡管如此，有時(shí)候條件可能會(huì)使基于RF的三角測(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)完全失效。這些可以包括地面噪聲源，例如墜落和電弧電力線(xiàn)，恐怖主義干擾，大氣條件，或甚至基于空間的干擾，例如日冕物質(zhì)拋射或電磁干擾，這可能使得基于RF的系統(tǒng)的幾乎所有頻帶完全不可操作。

雖然人類(lèi)控制著操作車(chē)輛，但這可能只是導(dǎo)航的不便。然而，當(dāng)一臺(tái)機(jī)器單獨(dú)負(fù)責(zé)將車(chē)輛保持在路上時(shí)，隨著時(shí)間的推移，任何位置誤差都會(huì)累積變得更加嚴(yán)重，并且當(dāng)汽車(chē)和卡車(chē)偏離車(chē)道分隔線(xiàn)并錯(cuò)過(guò)出口和入口時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重破壞。

這里智能設(shè)計(jì)師通過(guò)實(shí)施相互支持的雙重，冗余和技術(shù)獨(dú)立的傳感器技術(shù)來(lái)對(duì)沖他們的系統(tǒng)。即使在主要信號(hào)丟失的短時(shí)間內(nèi)，也需要使用替代的導(dǎo)航和定位技術(shù)。

一種特別吸引人的技術(shù)是使用高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。加上緊湊而密集的詳細(xì)路線(xiàn)圖存儲(chǔ)，具有合適處理器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以疊加最后已知位置和累積慣性導(dǎo)航傳感器技術(shù)，以便在可靠定位信號(hào)不可用時(shí)進(jìn)行插值。

獨(dú)立但糾纏不清

GPS，蜂窩或Wi-Fi地理定位等導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴(lài)于相同的RF介質(zhì)。然而，在不依賴(lài)無(wú)線(xiàn)連接的情況下串聯(lián)運(yùn)行的替代傳感技術(shù)已被證明是許多軍事系統(tǒng)中具有成本效益但可靠的解決方案。在這里，獨(dú)立的傳感和決策技術(shù)與集成的任務(wù)執(zhí)行處理器并存（圖1）。該架構(gòu)允許基于信號(hào)完整性，可靠性以及比較結(jié)果和決策等因素在更高級(jí)別進(jìn)行決策。

圖1：雙冗余傳感系統(tǒng)可以使用自己獨(dú)特的傳感器或共享傳感器來(lái)獨(dú)立得出結(jié)論。管理任務(wù)執(zhí)行處理器可以監(jiān)視結(jié)果和/或原始數(shù)據(jù)，以確定系統(tǒng)是否有故障。這可以為系統(tǒng)主機(jī)處理器提供更高可靠性的數(shù)據(jù)。 （來(lái)源：Digi-Key）

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要和備用傳感器技術(shù)必須通過(guò)相互檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余存在，并在任何一方檢測(cè)到或檢測(cè)到問(wèn)題和故障時(shí)做好準(zhǔn)備。這些可以像看門(mén)狗類(lèi)型的技術(shù)一樣簡(jiǎn)單，它向另一個(gè)系統(tǒng)提供心跳以指示它正在運(yùn)行。相反，它可以是一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng)，來(lái)回呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，以確保每個(gè)系統(tǒng)得出相同的結(jié)論。請(qǐng)注意，這兩種技術(shù)可以共享相同的映射技術(shù)。

當(dāng)RF不可用時(shí)，獨(dú)立的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以成為一種理想的解決方案。然而，可靠的基于陀螺儀的慣性變化和定位系統(tǒng)傳統(tǒng)上過(guò)于龐大，昂貴且難以用作檢測(cè)慣性差異的手段，并且它們易于發(fā)生機(jī)械故障。激光陀螺仍然很昂貴，但消除了機(jī)械故障模式。

推動(dòng)技術(shù)發(fā)展

幸運(yùn)的是，手機(jī)行業(yè)推動(dòng)半導(dǎo)體加速度計(jì)產(chǎn)品與昨天的激光陀螺儀系統(tǒng)的性能相媲美，為這種設(shè)計(jì)困境提供了緊湊且經(jīng)濟(jì)的解決方案。一些優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體制造商提供緊湊型加速度計(jì)和半導(dǎo)體陀螺儀器件，參考設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)套件，以幫助設(shè)計(jì)人員加快速度。

例如，飛兆半導(dǎo)體/安森美半導(dǎo)體MEMS傳感器技術(shù)非常適合表現(xiàn)良好以此身份。憑借高達(dá)9軸的感應(yīng)，其基于融合的算法方法使用專(zhuān)有的AttitudeEngine運(yùn)動(dòng)處理器，以低單位成本提供高度的功能。其設(shè)計(jì)人員還強(qiáng)調(diào)使用低功耗，集成的能量管理技術(shù)延長(zhǎng)電池壽命。

雖然飛兆半導(dǎo)體（現(xiàn)為安森美半導(dǎo)體的一部分）等傳感器供應(yīng)商在制造多軸傳感器方面投入了大量精力易于使用，您仍需要了解錯(cuò)誤糾正和準(zhǔn)確性的復(fù)雜性。這非常重要，因?yàn)閼T性誤差表現(xiàn)出累積效應(yīng)。這種誤差的一個(gè)來(lái)源稱(chēng)為錐形，它可能受采樣率的影響（圖2）。

誤差校正可以最大限度地減少錐形運(yùn)動(dòng)下的方向漂移。這是1軸在空間中掃描錐體而不繞運(yùn)動(dòng)軸本身的方向旋轉(zhuǎn)的地方。錐形漂移率與錐形振幅的平方成正比，與錐形頻率成反比。

圖2：理解和實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)對(duì)于可能出現(xiàn)累積誤差的任何類(lèi)型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，錐形和劃槳是至關(guān)重要的。 （資料來(lái)源：Fairchild/安森美半導(dǎo)體）

與此相關(guān)的是對(duì)劃船運(yùn)動(dòng)的理解。當(dāng)一個(gè)陀螺儀功能和一個(gè)正交加速度計(jì)通道以相同頻率感測(cè)兩個(gè)異相振蕩時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。如果信號(hào)的采樣速度不夠快，則劃槳運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致第三通道上的速度積分漂移。

飛兆半導(dǎo)體提供了一種緊湊的傳感器芯片，其特性很好，可以補(bǔ)償這些和其他潛在誤差源。例如，F(xiàn)IS1100可用于完整的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并可通過(guò)簡(jiǎn)單的I2C接口提供三軸加速度計(jì)和陀螺儀傳感，以便于外設(shè)處理器。

有幾種學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)支持板，如FEBFIS1100MEMS_IMU6D3X，支持陀螺儀和加速度計(jì)傳感，以及FM1030T，用于3D定位。一個(gè)不錯(cuò)的OEM選擇可能是緊湊的FMT1020T評(píng)估板（圖3）。這可以使用串行I2C，SPI和UART輸出測(cè)量和處理加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)和3軸感應(yīng)。

圖3：飛兆半導(dǎo)體FMT1020T等參考設(shè)計(jì)允許工程師使用剪切和粘貼功能來(lái)創(chuàng)建自己的電路板。許多緊湊型模塊可用于OEM或測(cè)試設(shè)計(jì)方法，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。 （資料來(lái)源：Fairchild/安森美半導(dǎo)體）

FMT1020T包含傳感器本身（FIS1100）以及ARM?Cortex?-M4 MCU以卸載主機(jī)CPU。 MCU還運(yùn)行Fairchild XKF3傳感器融合算法。這是基于卡爾曼濾波器來(lái)估計(jì)相對(duì)于地球固定幀的3D方向。可提供多種過(guò)濾器配置文件，從一般到高動(dòng)態(tài)，有大量運(yùn)動(dòng)。

備份備份

備份備份可以使用像博世這樣的霍爾效應(yīng)傳感設(shè)備BMM150用于使用磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)XYZ軸的變化。該集成器件使用專(zhuān)有的基于FlipCore霍爾效應(yīng)的XYZ軸感應(yīng)，為任何慣性處理器引擎提供磁力計(jì)和基于羅盤(pán)的感應(yīng)。同樣，簡(jiǎn)單的SPI串行接口可以為任何高端核心處理器技術(shù)提供簡(jiǎn)化的外設(shè)功能。

根據(jù)速度和加速度的變化知道位移的變化不會(huì)讓你導(dǎo)航。使用高度精確的地圖數(shù)據(jù)是允許位置感知系統(tǒng)基于慣性變化持續(xù)導(dǎo)航的關(guān)鍵。這就是NAND架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的存儲(chǔ)器件等高密度閃存技術(shù)變得非常有用的地方。它們?cè)试S系統(tǒng)在緊湊，低功耗的電路板中存儲(chǔ)具有高分辨率的詳細(xì)本地化映射，這些電路板可以獨(dú)立地與蜂窩，Wi-Fi和GPS系統(tǒng)共存。

結(jié)論

目前尚不清楚立法行動(dòng)將如何影響這一新興技術(shù)，但僅責(zé)任問(wèn)題決定了在所有條件下實(shí)現(xiàn)最佳績(jī)效的冗余設(shè)計(jì)方法。

GPS，蜂窩和Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)技術(shù)是準(zhǔn)確定位和定位信息的第一線(xiàn)。然而，這些需要由自我監(jiān)控系統(tǒng)支持，該系統(tǒng)使用相對(duì)和絕對(duì)傳感信息的組合來(lái)確保在無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)生故障時(shí)車(chē)輛保持在軌道上;這些傳感器需要冗余策略。

最終，運(yùn)營(yíng)商將負(fù)責(zé)控制他們的車(chē)輛。然而，當(dāng)自動(dòng)駕駛技術(shù)進(jìn)步到幾乎100％的信心時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)，飛機(jī)，火車(chē)和機(jī)器人肯定必須實(shí)施冗余傳感技術(shù)和方法。