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自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

日期: 2020-04-30
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??自動駕駛安費諾代理商已成為汽車行業(yè)發(fā)展的確定性趨勢,其最大的意義在于 解放駕駛員的雙手,帶來人類空間意義首次的無縫連接。

??自動駕駛的三個核心問 題是:在哪里?去哪里?如何去?

??當(dāng)中,定位系統(tǒng)在自動駕駛中專注于解決“在哪里?”這個問題。

自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??自動駕駛主要的三種定位技術(shù)

??自動駕駛獲得定位的技術(shù)方法通常有 3 種:

??1. 基于信號的定位:以通過全球衛(wèi)星 GNSS 的衛(wèi)星信號進(jìn)行定位的技術(shù) 為代表,其他還包括使用 WIFI,F(xiàn)M 微波等信號獲取信息等技術(shù);

??2. 環(huán)境特征匹配:基于視覺或激光雷達(dá)定位,用觀測到的特征和數(shù)據(jù)庫 里的語義地圖或特征地圖進(jìn)行匹配,得到車輛的位置和姿態(tài);

??3. 慣性定位: 依靠慣性傳感器獲得加速度和角速度信息,通過推算獲得 當(dāng)前的位置和方位的定位技術(shù)。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

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?1、GNSS 定位

??GNSS 定位技術(shù)是比較成熟的常用技術(shù)。GNSS 是使用三角定位法,通過 3 顆以上的衛(wèi)星,可以準(zhǔn)確地定位地球表面的任一位置。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??自動駕駛通常使用實時動態(tài)技術(shù)(RTK)獲得較高精度的定位

??首先需要在地面上建基站(Base Station,基站建立時,可得到基站的經(jīng)緯度等精確位置信息。

??當(dāng)基站的 GNSS 接收機(jī)與車載 GNSS 接收機(jī)相距<30km 時,可認(rèn)為兩者的 GNSS 信號通過同一片大氣區(qū)域,即兩者的信號誤差基本一致。

??根據(jù)基站的精確位置和信號傳播的時間,反推此時的信號傳播誤差,之后利用該誤差修正車載的 GNSS 信號,即可降低云層、天氣等對信號傳輸?shù)?影響,從而實現(xiàn)高精度(分米甚至厘米級)的定位。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??GNSS-RTK 技術(shù)的定位結(jié)果精度較高且穩(wěn)定,目前已廣泛應(yīng)用于自動駕 駛導(dǎo)航系統(tǒng)中, 但該方法也有比較明顯的缺陷——依賴衛(wèi)星信號。定位成功 至少需三顆可見衛(wèi)星,然而在實際的運(yùn)行環(huán)境中,例如城市峽谷,由于多路徑 效應(yīng)、衛(wèi)星信號被遮擋等原因,會使可見星數(shù)目不足,這種情況將影響 GNSSRTK 定位和測速的精確性以及其可靠性。


??2.環(huán)境特征匹配定位

??使用攝像頭和激光雷達(dá)等傳感器,獲取周圍環(huán)境信息,經(jīng)過處理后也可 以獲得定位信息。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??以激光定位為例,激光點云定位一般先通過激光雷達(dá),獲取車上的實時 點云,獲得目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點集合。經(jīng)過處理后的點云 數(shù)據(jù)與預(yù)先制作的地圖進(jìn)行匹配,最終得到車輛的距離、角度和邊界信息。


??3.慣性定位

? ??從慣性傳感器(包含加速度計和陀螺儀)得到每一刻的加速度和角速度,通過時間積分,得到速度和角度,再通過空間累加,就可以推算出實時的位置。

自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

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? 這三種定位方法各有優(yōu)劣。其中,慣性導(dǎo)航定位可保證不受外界信息影響, 在任何時刻以高頻次輸出車輛運(yùn)動參數(shù),為決策中心提供連續(xù)的車輛位置、 姿態(tài)信息,具有任何傳感器都無法比擬的優(yōu)勢。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是高精定位中必不可少的關(guān)鍵部件。

? 而自動駕駛定位系統(tǒng)的最核心關(guān)鍵詞是高精度。高精定位能夠?qū)崿F(xiàn)極端 天氣和環(huán)境下的車道級定位、高精度定位要能實現(xiàn)感知信息的時空同步、 降低自動駕駛系統(tǒng)運(yùn)算力要求、降低系統(tǒng)復(fù)雜度、有利于實現(xiàn) V2X 應(yīng)用及 自動駕駛的安全性和舒適性。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是自動駕駛中必不可少的關(guān)鍵部件

??

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(yùn)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。?

??慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是唯一可以輸出完備的六自由度數(shù)據(jù)的設(shè)備,慣導(dǎo)能夠 計算 x, y, z 三個維度的平動量(位置、速度、加速度)和轉(zhuǎn)動量(角度、角速度),并可以通過觀測模型,推測其他傳感器狀態(tài)的測量值,再用預(yù)測值和測量值的差用于加權(quán)濾波。若要獲得實時的姿態(tài)角、方位角、速度和位置,慣導(dǎo) 是唯一的選擇。


? 慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)更新頻率更高,可以提供高頻率的定位結(jié)果輸出。攝像頭的幀率一般是 30Hz,時間不確定性為 33ms;GNSS 延遲一般是 100-200ms;而慣導(dǎo)預(yù)測狀態(tài)的延遲最短只有幾 ms,因此可以用慣導(dǎo)估算并補(bǔ)償其他傳感器的延遲,實現(xiàn)全局同步。
? 在車輛行駛的時候,GNSS 的延遲是 100ms,攝像頭拍攝環(huán)境目標(biāo)時,圖像實際位置和 GNSS 報告的位置將會出現(xiàn)不一致,假設(shè)汽車時速 120km/h,100ms 的延遲意味著 3.3 米的距離的延遲,此時地圖和目標(biāo)識別的精度再高也 失去意義。而如果使用組合慣導(dǎo),位置的延遲將約為 2.5ms,由此導(dǎo)致的誤差 僅為 0.08m,更能夠保證行車的安全性。
??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?
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? 慣性導(dǎo)航是定位信息的融合中心,融合激光雷達(dá)、攝像頭、車身系統(tǒng)的信息。在 L3 及更高級別的自動駕駛汽車中,將引入更多的傳感器來支撐系統(tǒng)的功能,慣導(dǎo)系統(tǒng)是所有定位技術(shù)中最容易實現(xiàn)與其他傳感器提供的定位 信息進(jìn)行融合的主體,作為定位信息融合的中心,將視覺傳感器、雷達(dá)、激光雷達(dá)、車身系統(tǒng)信息進(jìn)行更深層次的融合,為決策層提供精確可靠的連續(xù)的 車輛位置、姿態(tài)的信息。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

??目前,GNSS+IMU 構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是主流的定位系統(tǒng)方案。

??慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星定位所得的車輛初始點結(jié)合,可以得到實時的精確 定位。慣導(dǎo)系統(tǒng)原理是是通過加速度的二次積分,得到相對的位移變量。但僅 依靠慣導(dǎo),無法獲得車輛的絕對位置,因此必須加入 GNSS 所得的車輛初始 點信息,即通過原始參照點+相對位移的方法,共同實現(xiàn)既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r的 位置更新。

??自動駕駛定位為什么少不了慣性導(dǎo)航?

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