作者 |?James Fennelly

使用加速度計(jì)和陀螺儀的慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器，有助于降低自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

自動(dòng)駕駛是汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)趨勢(shì)，先進(jìn)的位置傳感器技術(shù)正在幫助汽車(chē)實(shí)現(xiàn)更安全、準(zhǔn)確地自動(dòng)駕駛。關(guān)于真正的自動(dòng)駕駛汽車(chē)何時(shí)才能成為現(xiàn)實(shí)，有許多預(yù)測(cè)。

在等待的過(guò)程中，許多車(chē)輛都配備了各種先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），如車(chē)道偏離警告、輔助停車(chē)和自動(dòng)制動(dòng)。盡管這些技術(shù)非常有用，但它們被認(rèn)為自動(dòng)駕駛水平只有SAE 1級(jí)（駕駛輔助）或2級(jí)（部分駕駛自動(dòng)化），這意味著它們?nèi)匀恍枰{駛員100%的參與。

最大的問(wèn)題是，什么時(shí)候才能見(jiàn)證技術(shù)飛躍到5級(jí)，或者無(wú)需駕駛員介入的全自動(dòng)駕駛汽車(chē)？不幸的是，離這項(xiàng)技術(shù)被廣泛接受并應(yīng)用于任何類(lèi)型的車(chē)輛似乎還有一段時(shí)間。為什么？關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何確保安全。

要實(shí)現(xiàn)完全自主，需要絕對(duì)相信：在任何天氣或道路條件下，車(chē)輛能夠繼續(xù)安全準(zhǔn)確地運(yùn)行，并避免對(duì)乘客、行人或財(cái)產(chǎn)造成重大傷害。

這將需要內(nèi)置的制導(dǎo)和導(dǎo)航技術(shù)，以確保在激光雷達(dá)、雷達(dá)或相機(jī)等車(chē)輛感知傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，或者在GNSS衛(wèi)星信號(hào)因天氣、地形或環(huán)境而間歇性中斷時(shí)，車(chē)輛能夠安全運(yùn)行。

01

用于自動(dòng)駕駛的安全停車(chē)傳感系統(tǒng)

這種關(guān)鍵的車(chē)輛傳感技術(shù)就是慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器。由于IMU傳感器基于重力和物理法則，而不是外部條件，因此即使感知傳感器因天氣原因出現(xiàn)故障，它也可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以便車(chē)輛能夠安全地保持航向，直到安全停車(chē)或其它導(dǎo)航系統(tǒng)重新開(kāi)始工作。

通過(guò)消除數(shù)據(jù)中斷和提高操作的安全性，IMU有助于加快實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的進(jìn)程。如果沒(méi)有IMU傳感器提供安全緩沖，自動(dòng)駕駛汽車(chē)將永遠(yuǎn)無(wú)法在城市街道和高速公路上有效工作。

02

什么是IMU傳感器，它如何工作？

大多數(shù)IMU傳感器由兩組不同的傳感器組成——加速度計(jì)傳感器和陀螺儀傳感器。加速度計(jì)傳感器測(cè)量三個(gè)正交軸上的線性加速度。對(duì)加速度積分，獲得速度，而對(duì)隨時(shí)間改變的速度積分，位置會(huì)隨之改變。

陀螺儀傳感器測(cè)量三個(gè)正交軸的角速率。隨著時(shí)間的推移，沿三個(gè)軸的角速率積分將獲得滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的變化，這是物體姿態(tài)的變化。

帶有陀螺儀和加速度計(jì)傳感器的IMU模塊，可以提供6個(gè)自由度（通常稱(chēng)為6-DOF）以上的測(cè)量。

▲圖1：IMU傳感器依賴(lài)于重力和運(yùn)動(dòng)物理。與視覺(jué)、雷達(dá)、激光雷達(dá)和其它感知傳感器以及基于衛(wèi)星GNSS信號(hào)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同，基于IMU的制導(dǎo)系統(tǒng)不受惡劣環(huán)境條件和隧道和樹(shù)葉等物理障礙物的影響，能夠繼續(xù)運(yùn)行。

03

為什么有些IMU還包括磁力計(jì)？

加速度計(jì)可以用來(lái)計(jì)算相對(duì)于地球引力的滾轉(zhuǎn)和俯仰值，并校正陀螺儀的漂移。但是，它不能用于檢測(cè)絕對(duì)航向（偏航），因?yàn)槠降淖兓c重力矢量正交。磁力計(jì)以三維方式測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)使用地球磁場(chǎng)，它可以幫助確定物體的航向（即偏航）以及滾動(dòng)和俯仰。

在IMU中集成磁力計(jì)可以幫助檢測(cè)物體的初始航向，并在傳感器融合算法中校正偏航陀螺儀的集成誤差。

▲圖2：IMU使用其加速度計(jì)和陀螺儀傳感器，來(lái)捕捉6個(gè)自由度、3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸（向前和向后、向左和向右、向上和向下）以及3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航）的測(cè)量值。

04

IMU性能測(cè)量和三重冗余

偏置不穩(wěn)定性是陀螺儀最關(guān)鍵的性能參數(shù)之一。這是陀螺儀隨時(shí)間漂移程度的直接測(cè)量。陀螺儀的速率輸出，經(jīng)積分后可以計(jì)算角度（滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航）的變化，因此與漂移相關(guān)的任何誤差都會(huì)導(dǎo)致相對(duì)角度的累積誤差。

此外，隨著時(shí)間的推移，這些角度誤差被轉(zhuǎn)化為位置誤差。對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，高性能IMU是自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)高精度定位的必要部件。

在三冗余IMU中，三個(gè)IMU用于構(gòu)建三冗余傳感器架構(gòu)，該架構(gòu)提供額外的可靠性和準(zhǔn)確性。

如果由于某種原因一個(gè)或多個(gè)傳感器無(wú)法準(zhǔn)確工作，則可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程以識(shí)別有缺陷的傳感器數(shù)據(jù)并避免使用它。有缺陷的傳感器輸出或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)集將被忽略或降低其重要性。這種架構(gòu)確保了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)提高了性能。

IMU傳感器可能不會(huì)像其它傳感器（即激光雷達(dá)和相機(jī)）那樣吸引眾多的注意力和媒體報(bào)道。然而，在許多方面，IMU是未來(lái)十年內(nèi)將出現(xiàn)在街頭的SAE 4級(jí)和5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)成功運(yùn)行所需的關(guān)鍵安全傳感器組件。

編輯：黃飛

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