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探索自动驾驶汽车的隐藏奥秘:IMU

盖世汽车快讯 童郜 2021-05-14 16:20:55

惯性传感器,加速度计和角速度陀螺仪作为汽车的“内耳”,多年来一直在汽车安全气囊和稳定控制系统等应用中执行一些基本的低性能任务。

无需其他传感器的输入,惯性传感器能够独立探测到车辆的运动,例如:一个简单的单轴加速度计可以探测到汽车的高g急剧减速来打开安全气囊。更先进的惯性传感器组件由两个正交的XY加速度计和一个单轴/双轴角速度陀螺仪组成,常用于车辆的稳定控制。而横向、纵向加速度和转速决定了车辆是否需要采取措施来防止侧翻或减少转弯时的车轮打滑。从本质上讲,惯性传感器组件决定了汽车能否在驾驶员设置的暨定轨道上行驶。

现在通常的车载惯性传感器组件可以测量某个方向的运动状态,而惯性测量单元(IMU)作为一个嵌入了三轴线性加速度计和三轴角速度陀螺仪的模块,可测量六个自由度(“6 DOF或六轴”)。通过组成六轴结构的线性运动 (三维空间)和旋转测量组件(滚动,俯仰和偏航),IMU能够捕获车辆运动状态的全部分量。IMU不仅仅可用于安全气囊和车辆稳定性控制,并且可以实时跟踪计算车辆的位置和方向。因此,IMU通过精确校准消除温度和偏差漂移后,结合扩展卡尔曼滤波器算法能在短时间内对车辆进行精准定位,且不需要任何辅助。更先进的系统会融合车轮速度和角度信息,以辅助卡尔曼滤波器定位估计,进一步提高定位精度。

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最新一代的高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车需要高精度IMU来预测车辆运动以确定实时位置。在这些先进的系统中,IMU信息与GPS接收器甚至视觉传感器(如激光雷达和摄像机)相融合,不断地估计和更新车辆位置信息,然后被输入系统的中央计算模块。这种依靠融合额外传感器数据(如GPS)的IMU导航系统就被称为惯性导航系统(INS)。

GPS接收器独自不能提供连续不间断的高精度位置信息,但通过接收遍布全球的卫星信号,可将定位信息精确到几米之内。校正卫星时钟误差和大气传播误差后,GPS接收器可通过实时动态(RTK)等算法技术将定位精确到2~4厘米左右。GPS接收器通常1 Hz或每秒更新一次位置信息,但是也可达到10Hz~20Hz来满足动态定位应用的需求。简而言之,路况最佳时,车辆在高速公路上每行驶10英尺左右就会更新一次GPS位置信息。

IMU可用来在GNSS / GPS接收器每次更新之间估计车辆的位置,以提高定位信息输出频率。此外,GPS接收器经常会在一些“不利于GPS信号”的环境(如在隧道和高楼附近)中丢失信号,这些情况下IMU就需要推算位置10秒、20秒甚至多达30秒,推算时间越长,IMU推算位置的误差就会越大。通常的自动驾驶系统允许的定位误差范围只有10~30 cm,虽然目前某些军用IMU和研究用的IMU能够提供这种性能,但高达五位数的价格令人望尘莫及。

为了向市场提供价格合理的IMU,开发人员通常使用基于MEMS的加速度计和陀螺仪。 批量生产的硅基MEMS IMU传感器价格都低于100美元,能更好地迎合消费类和工业系统类系统的成本要求。下一代MEMS IMU传感器有望提供包括全自动L5级驱动应用在内的高级汽车应用所需的精度和可靠性。

基于MEMS的惯性测量单元能够提供切合汽车市场的尺寸和工艺,目前市场上的几种性能良好的MEMS IMU传感器,其陀螺仪偏置不稳定性(BI)为5°/h,角度随机游走(ARW)为0.5°/√h,加速度BI在10μg范围内。这些产品可以在GPS更新间隔之间提供有效而又平滑的位置信息。然而,当车辆穿过隧道或地下通道时,这些中等性能的IMU在几秒后就难以保持小于10 cm的位置精度。 目前最先进的MEMS惯性传感器正在努力达到陀螺仪BI接近1°/h,ARW为0.1°/√h的指标。一旦达到相应的技术水平,GPS+IMU的组合导航系统将能满足高级别自动驾驶应用所需的性能。

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除上述问题外,震动或高瞬时加速度会引起MEMS传感器的加速度计与陀螺仪结构的硅微指粘连。由于范德瓦尔斯力现象,一旦粘连,它们就很难分开。设备也不能像其他半导体设备一样通过上/下电循环来解决问题。

尽管消费和工业市场可以接受基于MEMS的陀螺仪/加速度计的故障率,但它能满足汽车企业对低故障率和使用寿命的需求吗? 这将是IMU器件开发人员面临的另一大挑战。

每个人都翘首以盼自动驾驶汽车能够早日取代现有的老式车辆,释放车库和停车场的宝贵空间,让我们的道路更加安全高效。目前,全球数以万计的工程师正致力于开发下一代传感技术,以早日实现交通运输领域这一里程碑式的发展。

IMU器件技术和INS导航技术可能不为大众所熟知,但毫无疑问,它们是确保自动驾驶汽车安全高效的基本要素。

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