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組合慣性導(dǎo)航從理論不斷延伸到現(xiàn)實(shí)生活中，出于對(duì)安全、自由出行的追求，自動(dòng)駕駛變得熱門起來，高精度組合慣性導(dǎo)航技術(shù)也有了新的應(yīng)用場(chǎng)景，包括ADAS系統(tǒng)與車輛運(yùn)動(dòng)分析、L4~L5級(jí)別自動(dòng)駕駛裝備、L1~L3高級(jí)輔助駕駛等。

應(yīng)用廣泛的慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由陀螺儀和加速度計(jì)組成，通過測(cè)量加速度和角速度獲取定位信息，是目前容易獲得且精度夠用的運(yùn)動(dòng)傳感器。系統(tǒng)包括加工工藝、傳感器校準(zhǔn)、軟硬件的深度結(jié)合、系統(tǒng)集成后傳感器衰退情況、環(huán)境適應(yīng)性、車上安裝誤差補(bǔ)償度、汽車行業(yè)體系認(rèn)證等。對(duì)于慣性器件本身，衡量其優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)有零偏不穩(wěn)定性，隨機(jī)游走，艾倫方差等。

慣性導(dǎo)航發(fā)展已有百年歷史，早期的角速度測(cè)量使用機(jī)械陀螺，利用陀螺的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，形成角度姿態(tài)的測(cè)量?jī)x器，它與角速度成比例關(guān)系。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類測(cè)量角速度的工具越來越多，如動(dòng)力協(xié)調(diào)陀螺、靜電陀螺、光纖陀螺、激光陀螺等。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，MEMS陀螺儀被廣泛應(yīng)用，它雖不是最新型產(chǎn)品，但隨著技術(shù)迭代性能不斷提升，成本不斷下降?；诳剖綉T性力的測(cè)量，載體被懸浮安裝在儀器中，通過測(cè)量電容大小測(cè)量懸浮體位移，進(jìn)而得到角速度值。MEMS加速度計(jì)也是類似原理，把加速度變化體現(xiàn)為位移變化，通過電容測(cè)量得出加速度結(jié)果。

慣性器件從消費(fèi)級(jí)到航海航天領(lǐng)域，其性能和價(jià)格存在六個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。汽車用陀螺儀精度要求大致在0.1~10度/小時(shí)，以前要達(dá)到這個(gè)精度要用到光纖陀螺，現(xiàn)在MEMS陀螺儀已經(jīng)可以達(dá)到這樣的水平。慣性器件存在被稱為隨機(jī)慢變和白噪聲的誤差，可通過制造工藝、標(biāo)定及算法共同消除到可控范圍內(nèi)。

組合慣性導(dǎo)航奠定自動(dòng)駕駛技術(shù)

衛(wèi)星和慣性是組合導(dǎo)航最典型的應(yīng)用，簡(jiǎn)稱組合慣導(dǎo)，該系統(tǒng)有很好的互補(bǔ)效果。衛(wèi)星補(bǔ)充了慣性系統(tǒng)的累計(jì)誤差，而慣性系統(tǒng)又很好地彌補(bǔ)了衛(wèi)星的不穩(wěn)定性和易受干擾性。組合慣性導(dǎo)航不像激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器那樣易于理解，一般很少提到，但在行業(yè)里大家都有比較共識(shí)的深入認(rèn)識(shí)。組合慣導(dǎo)與機(jī)器視覺、雷達(dá)等融合，形成一套完整的具有相對(duì)和絕對(duì)定位功能的系統(tǒng)。

汽車自動(dòng)駕駛四大核心功能模塊包括智能定位、環(huán)境感知、行為預(yù)測(cè)、決策和路徑規(guī)劃，組合慣性導(dǎo)航主要關(guān)注智能定位這一塊。而智能定位不僅僅是組合慣導(dǎo)在工作，還包括“衛(wèi)慣車視聯(lián)”融合系統(tǒng)，即衛(wèi)星、慣性系統(tǒng)、車身傳感器、視覺傳感器、以及未來有巨大發(fā)展?jié)撃艿穆?lián)網(wǎng)技術(shù)之間的融合。

常規(guī)衛(wèi)星定位中，電離層影響、星歷誤差、時(shí)鐘誤差、多路徑效應(yīng)都會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生一定影響，其中前三者都可以通過差分定位技術(shù)消除90%以上的誤差。電離層影響是大氣層中的電離層使衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，從而使衛(wèi)星信號(hào)延遲；星歷誤差是衛(wèi)星軌跡與星歷表給出的衛(wèi)星位置和實(shí)際位置之間有差異；而衛(wèi)星使用的銫原子鐘與衛(wèi)星接收器上的時(shí)鐘不同步又會(huì)造成時(shí)鐘誤差；多路徑效應(yīng)是衛(wèi)星信號(hào)在不同障礙物上造成的影響。

組合慣性導(dǎo)航的融合算法有坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、卡爾曼濾波與數(shù)據(jù)解析，同時(shí)，組合導(dǎo)航還有時(shí)空同步融合問題，即自動(dòng)駕駛多傳感器融合的前提是把所有異構(gòu)傳感器獲取的信息放在統(tǒng)一的時(shí)間線中進(jìn)行融合。其他方面，雙天線安裝偏差、底盤俯仰角偏差、振動(dòng)和姿態(tài)補(bǔ)償?shù)龋梢允菇M合慣導(dǎo)綜合性能進(jìn)一步提升。

定位誤差的消除

載波差分技術(shù)（RTK）屬于差分定位的一種，它使用一個(gè)已知站，去修正一個(gè)未知站，在此過程中，雙方都會(huì)接受衛(wèi)星信息。已知站將差分信息進(jìn)行解算，解算后的差分信息傳送給未知站，進(jìn)一步消除誤差。通常這種技術(shù)會(huì)和多星座、多頻段的衛(wèi)星定位技術(shù)結(jié)合，通過不同衛(wèi)星系統(tǒng)的1~2個(gè)頻段，使整個(gè)定位系統(tǒng)更可靠。載波相位差分技術(shù)可以讓衛(wèi)星在空曠區(qū)域?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)定位，但衛(wèi)星定位更新率比較低，有100~200毫秒的延遲（與此相對(duì)，攝像頭的更新率大約為33毫秒）。另外衛(wèi)星定位技術(shù)無法克服實(shí)際路況上的遮擋，包括隧道、高架橋等，這時(shí)會(huì)失去衛(wèi)星信號(hào)，從而使定位失去作用。

多傳感器融合在功能安全上有重要作用，異構(gòu)冗余使自動(dòng)駕駛定位系統(tǒng)的可靠性得到有效提升。當(dāng)前，衛(wèi)星、組合慣性導(dǎo)航和攝像頭各有優(yōu)勢(shì)，在不同場(chǎng)景可以相互互補(bǔ)。

如在開闊場(chǎng)景中，衛(wèi)星定位精準(zhǔn)但刷新率稍低，而組合慣導(dǎo)定位精度不如衛(wèi)星但刷新率較高（組合慣導(dǎo)最佳定位精度可以比肩衛(wèi)星定位，但在沒有衛(wèi)星的時(shí)候，組合慣導(dǎo)推算結(jié)果會(huì)有誤差累積）。在逆光或雨雪環(huán)境下，攝像頭的效果明顯變差。在有遮擋環(huán)境下如隧道里，衛(wèi)星精準(zhǔn)度會(huì)明顯下降。只有三者相互配合，才能獲得良好的全工況定位效果。

從目前已成型的自動(dòng)駕駛配置看，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、衛(wèi)星定位和組合慣性導(dǎo)航都是必須選項(xiàng)，整體系統(tǒng)的造價(jià)和性能都在快速迭代。

標(biāo)簽： 組合慣性導(dǎo)航