无人驾驶定位的核心器件-闪光的IMU

【概要描述】

分类：行业聚焦
作者：合肥开拓导航控制技术有限责任公司
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发布时间：2020-06-02
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任何新技术，要想实现应用就必须要具备两个关键因素，即具有能够创造价值的商业模式以及足够成熟的技术。对于无人驾驶来说，安全性、成本以及运营范围问题最受关注。运营范围越大，应用场景越复杂，对于技术要求越高，相对应的成本越高，安全性越难以保证。对于无人驾驶入局者，谁能在更大的运营范围内提供更安全、更低成本的解决方案，或者支持解决方案的核心器件，谁就能在这场群雄逐鹿中，独占鳌头。

从封闭道路运营到开放道路运营；从适应单一场景到迁移至多类型场景；从恶劣天气下稳定运行，到对行人、动物、障碍物等目标的准确识别，无人驾驶面临的问题核心，在于如何保证驾驶安全。除了感知层面以外，高精定位以及突发事件预警和缓冲也是破局的关键。

在无人驾驶纷繁复杂无法穷举的工况中，惯性测量单元以其高可靠性、无需外部依赖，更新频率高，以及强大的抗干扰能力，成为无人驾驶定位系统的核心器件，确保安全的最后一道防线。

惯性测量单元（Inertial measurement unit，简称 IMU）通常由陀螺仪、加速度计和算法处理单元组成，用于实时运动测量载体三个轴向的角速度和线加速度。严格来讲，IMU只提供相对定位信息，即自体从某时刻开始相对于某个起始位置的运动轨迹和姿态。
众所周知，GPS可以为车辆提供精度为米级的绝对定位，差分GPS或RTK GPS可以为车辆提供精度为厘米级的绝对定位，然而并非所有的路段在所有时间都可以得到良好的GPS信号。因此，在无人驾驶领域，RTK GPS的输出一般都要与IMU，汽车自身的传感器（如轮速计、方向盘转角传感器等）进行融合。

在该图中，自动驾驶汽车驶入高楼林立的区域，失去了卫星信号，无法由GPS提供绝对定位，此时，IMU可以发挥其延续绝对定位的作用，在没有GPS信号的区域为汽车提供绝对定位信息，这些信息包括汽车的实时经纬度和海拔高度。
IMU的相对定位与RTK GPS的绝对定位融合，为高精定位提供双重保险，并让失效过程变得缓慢，为车辆处理异常提供宝贵的缓冲时间。

验证
IMU可以验证RTK GPS结果的自洽性，对于无法自洽的绝对定位数据进行滤波和修正；
辅助
由于GPS的更新频率低（10Hz），在车辆快速行驶时很难给出精准的实时定位。IMU更新频率高，可以辅助GPS实现精准的实时定位。
缓冲
当车道线识别系统完全找不到任何车道线和道路边界时，汽车可以根据IMU的相对和绝对定位信息，配合之前感知到的车道线信息和高精地图，安全地减速或停车，并提示人工接管驾驶，在整个过程中可以确保安全。

在该图中，自动驾驶汽车通过车道线识别功能确保自身在道路中行驶。在遇到强烈太阳光照射的情况下，车道线识别功能失效。此时，IMU可以发挥其延续相对定位的作用，根据历史记录中的道路曲率与汽车相对于车道边界的历史位置，确保汽车在一段时间内继续行驶在车道中。
对于高速场景下的乘用车和商用车来说，无论功能模块失效的概率有多低，都需要有一个技术来最后处理这个概率条件下的极端工况。IMU凭借独特的优势，成为无人驾驶的最后一道安全防线！

为什么选择IMU作为最后一道安全防线？
01 自主运转
IMU自主运转，不依赖外界任何信息。相比于GPS依赖于卫星信号；激光、毫米波依赖于外界的电磁波或光波，IMU自身功能完备，不受外界影响。
02 隐藏安装
可以被安装在汽车不外露的区域，对抗外来的电子和机械攻击。相比于必须接受外界信号的设备，IMU更加安全，难以被电磁波或强光信号攻击干扰而致盲，也避免了在行驶过程中被剐蹭造成意外损坏。
03 高置信度
IMU对角速度和加速度的测量值具有一定的冗余性，融合轮速计和方向盘转角等冗余信息，其输出结果的置信度高于其他传感器提供的绝对或相对定位的结果。
IMU的局限性主要在于价格昂贵。能够在GPS丢失后，迅速提供车道级定位的IMU多为进口产品，价格高，且具有一定的潜在风险。目前开拓导控旗下的IMU均为具有自主知识产权的国产IMU，多种精度可选，且可提供包括量程、精度等在内的定制服务。