自動駕駛基礎(chǔ)(六十) -慣性測量單元(IMU)六

藍(lán)海大叔 2019-10-21

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前面介紹了常用定位方法中的GNSS RTK定位。GNSS 在衛(wèi)星信號良好時可以提供厘米級定位，但地下車庫和城市樓宇之間等衛(wèi)星信號丟失或者信號微弱的場景提供的定位精度會大大下降。慣性導(dǎo)航可以不依賴外界環(huán)境提供穩(wěn)定的信號，但它會有累積誤差。

通過 IMU 與 GNSS 信號進(jìn)行融合后組成慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以發(fā)揮兩者優(yōu)勢，并規(guī)避各自劣勢。通過整合 GPS 與IMU，汽車可以實現(xiàn)既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r的位置更新。

慣性導(dǎo)航（inertial navigation system，INS）是一種使用了慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）的以加速度測量為基礎(chǔ)的導(dǎo)航定位方法。它不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，不受外界天氣狀況等影響。

我們需要將測量值轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系，這種轉(zhuǎn)換需要一個名叫陀螺儀的傳感器，三軸陀螺儀的三個外部平衡環(huán)一直在旋轉(zhuǎn)，但三軸陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸始終固定在世界坐標(biāo)系中，計算車輛在坐標(biāo)系中的位置是通過測量旋轉(zhuǎn)軸和三個外部平衡環(huán)的相對位置來計算的。加速度計和陀螺儀是慣性測量單元（或IMU）的主要組成部分.所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)除了可以獲得車輛的位置和姿態(tài)外，還能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的測量車輛坐標(biāo)系內(nèi)三個方向的加速度、角速度等信息，供決策控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制車輛。

如前面介紹過的，IMU的全稱是inertial measurement unit，即慣性測量單元，通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成，以智能方式融合了精密陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器的多軸組合，通過對加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測量得出自體的運動軌跡，即使在復(fù)雜工作環(huán)境中以及在動態(tài)或極限運動動態(tài)下，精密的 IMU 也能提供所需的精度水平，在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價值。我們把傳統(tǒng)的IMU和與車身、GPS等信息融合的算法組合在一起的系統(tǒng)稱為廣義的、針對自動駕駛的IMU。

IMU的主要特征在于高頻更新，更新速度達(dá)到1000赫茲，所以IMU所提供的位置幾乎是實時位置信息。

慣性導(dǎo)航在自動駕駛定位系統(tǒng)中具有不可替代性。慣導(dǎo)具有輸出信息不間斷、不受外界干擾等獨特優(yōu)勢，可保證在任何時刻以高頻次輸出車輛運動參數(shù)，為決策中心提供連續(xù)的車輛位置、姿態(tài)信息，這是任何傳感器都無法比擬的。

GNSS+IMU 方案是一種最常用的組成組合慣導(dǎo)系統(tǒng)的方案。GNSS 在衛(wèi)星信號良好時可以提供厘米級定位，但地下車庫和城市樓宇之間等衛(wèi)星信號丟失或者信號微弱的場景提供的定位精度會大大下降。慣導(dǎo)可以不依賴外界環(huán)境提供穩(wěn)定的信號，但它會有累積誤差。

通過 IMU 與GNSS 信號進(jìn)行融合后組成慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以發(fā)揮兩者優(yōu)勢，并規(guī)避各自劣勢。通過整合 GPS 與IMU，汽車可以實現(xiàn)既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r的位置更新。GPS是一個相對準(zhǔn)確的定位用傳感器，但是它的更新頻率過低（僅有 10Hz）不足以提供足夠?qū)崟r的位置更新，IMU 的更新頻率可以達(dá)到 100Hz 或者更高的1000赫茲，完全能彌補 GPS 所欠缺的實時性。GPS/IMU組合系統(tǒng)通過高達(dá) 100Hz 頻率的全球定位和慣性更新數(shù)據(jù)，可以幫助自動駕駛完成定位。

在衛(wèi)星信號良好時，INS 系統(tǒng)可以正常輸出得到 GPS 的厘米級的定位；而衛(wèi)星信號較弱時，慣導(dǎo)系統(tǒng)可以依靠 IMU 信號提供定位信息。通過整合GPS與IMU，我們可以為車輛定位提供既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r的位置更新。

目前的GPS有很多時候是精度不夠準(zhǔn)確或者無效的。例如在隧道中，我們經(jīng)常因為信號不好無法使用。在市中心的高樓里，GPS信號容易被折射反射。這個時候IMU就可以增強GPS的導(dǎo)航能力。例如，在車道線識別模塊失效時，利用失效之前感知到的道路信息和IMU對汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

GPS和IMU組合，就是為了融合IMU的航向速度、角速度和加速度信息，來提高GPS的精度和抗干擾能力。IMU相對GPS來說，不僅能提供一些信息，還能提供補全導(dǎo)航信息，因為GPS本身只提供位置信息，IMU還可以提供航向姿態(tài)信息，這個在車輛控制甚至最基本的車輛控制里也會遇到的信息。因為IMU會提供不同的角度，我們可以非常敏銳實時的監(jiān)測到車輛姿態(tài)的變化，可以更精準(zhǔn)的識別一些比較復(fù)雜的路況信息。