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组合惯性导航构成自动驾驶的关键技术 发布时间:2021-01-29   浏览量:3333次

组合惯性导航从理论不断延伸到现实生活中,出于对安全、自由出行的追求,自动驾驶变得热门起来,高精度组合惯性导航技术也有了新的应用场景,包括ADAS系统与车辆运动分析、L4~L5级别自动驾驶装备、L1~L3高级辅助驾驶等。


应用广泛的惯性导航

惯性导航系统由陀螺仪和加速度计组成,通过测量加速度和角速度获取定位信息,是目前容易获得且精度够用的运动传感器。系统包括加工工艺、传感器校准、软硬件的深度结合、系统集成后传感器衰退情况、环境适应性、车上安装误差补偿度、汽车行业体系认证等。对于惯性器件本身,衡量其优劣的技术指标有零偏不稳定性,随机游走,艾伦方差等。

惯性导航发展已有百年历史,早期的角速度测量使用机械陀螺,利用陀螺的进动效应,形成角度姿态的测量仪器,它与角速度成比例关系。随着现代工业的发展,人类测量角速度的工具越来越多,如动力协调陀螺、静电陀螺、光纤陀螺、激光陀螺等。

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在自动驾驶领域,MEMS陀螺仪被广泛应用,它虽不是最新型产品,但随着技术迭代性能不断提升,成本不断下降。基于科式惯性力的测量,载体被悬浮安装在仪器中,通过测量电容大小测量悬浮体位移,进而得到角速度值。MEMS加速度计也是类似原理,把加速度变化体现为位移变化,通过电容测量得出加速度结果。

惯性器件从消费级到航海航天领域,其性能和价格存在六个数量级的差异。汽车用陀螺仪精度要求大致在0.1~10度/小时,以前要达到这个精度要用到光纤陀螺,现在MEMS陀螺仪已经可以达到这样的水平。惯性器件存在被称为随机慢变和白噪声的误差,可通过制造工艺、标定及算法共同消除到可控范围内。

  

组合惯性导航奠定自动驾驶技术

卫星和惯性是组合导航最典型的应用,简称组合惯导,该系统有很好的互补效果。卫星补充了惯性系统的累计误差,而惯性系统又很好地弥补了卫星的不稳定性和易受干扰性。组合惯性导航不像激光雷达、摄像头等传感器那样易于理解,一般很少提到,但在行业里大家都有比较共识的深入认识。组合惯导与机器视觉、雷达等融合,形成一套完整的具有相对和绝对定位功能的系统。

汽车自动驾驶四大核心功能模块包括智能定位、环境感知、行为预测、决策和路径规划,组合惯性导航主要关注智能定位这一块。而智能定位不仅仅是组合惯导在工作,还包括“卫惯车视联”融合系统,即卫星、惯性系统、车身传感器、视觉传感器、以及未来有巨大发展潜能的联网技术之间的融合。

常规卫星定位中,电离层影响、星历误差、时钟误差、多路径效应都会对定位精度产生一定影响,其中前三者都可以通过差分定位技术消除90%以上的误差。电离层影响是大气层中的电离层使卫星信号的传播速度发生变化,从而使卫星信号延迟;星历误差是卫星轨迹与星历表给出的卫星位置和实际位置之间有差异;而卫星使用的铯原子钟与卫星接收器上的时钟不同步又会造成时钟误差;多路径效应是卫星信号在不同障碍物上造成的影响。

组合惯性导航的融合算法有坐标系转换、卡尔曼滤波与数据解析,同时,组合导航还有时空同步融合问题,即自动驾驶多传感器融合的前提是把所有异构传感器获取的信息放在统一的时间线中进行融合。其他方面,双天线安装偏差、底盘俯仰角偏差、振动和姿态补偿等,可以使组合惯导综合性能进一步提升。

组合惯性导航

定位误差的消除

载波差分技术(RTK)属于差分定位的一种,它使用一个已知站,去修正一个未知站,在此过程中,双方都会接受卫星信息。已知站将差分信息进行解算,解算后的差分信息传送给未知站,进一步消除误差。通常这种技术会和多星座、多频段的卫星定位技术结合,通过不同卫星系统的1~2个频段,使整个定位系统更可靠。载波相位差分技术可以让卫星在空旷区域实现厘米级定位,但卫星定位更新率比较低,有100~200毫秒的延迟(与此相对,摄像头的更新率大约为33毫秒)。另外卫星定位技术无法克服实际路况上的遮挡,包括隧道、高架桥等,这时会失去卫星信号,从而使定位失去作用。

多传感器融合在功能安全上有重要作用,异构冗余使自动驾驶定位系统的可靠性得到有效提升。当前,卫星、组合惯性导航和摄像头各有优势,在不同场景可以相互互补。

如在开阔场景中,卫星定位精准但刷新率稍低,而组合惯导定位精度不如卫星但刷新率较高(组合惯导最佳定位精度可以比肩卫星定位,但在没有卫星的时候,组合惯导推算结果会有误差累积)。在逆光或雨雪环境下,摄像头的效果明显变差。在有遮挡环境下如隧道里,卫星精准度会明显下降。只有三者相互配合,才能获得良好的全工况定位效果。

从目前已成型的自动驾驶配置看,毫米波雷达、激光雷达、摄像头、卫星定位和组合惯性导航都是必须选项,整体系统的造价和性能都在快速迭代。


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