高精度定位的作业原理、办法及运用

　　依据不同的运用场景,从手机定位、运动手表的步数记载,到自动驾驶轿车的高精度定位,对 IMU 的精度有不同的要求,精度高,也意味着本钱高。 精度更高的 ...

　　定位（Location）和导航（Navigation）技能是担任实时供给载体（如自动驾驶车辆）的运动信息，包含载体的方位、速度、姿势、加快度、角速度等。自动驾驶往往选用的是多传感器交融定位的办法。本文首要解说IMU在自动驾驶定位中的运用。

　　在无人车感知层面，定位的重要性显而易见，无人车需求知道自己相关于环境的一个切当方位，这儿的定位不能存在超越10cm的差错。

　　GPS可认为车辆供给精度为米级的肯定定位，差分GPSRTKGPS可认为车辆供给精度为厘米级的肯定定位，但是并非一切的路段在一切时刻都能够得到杰出的GPS信号。因而，在自动驾驶范畴，RTKGPS的输出一般都要与IMU，轿车自身的传感器(如轮速计、方向盘转角传感器等)进行交融。

　　IMU的全称是inertial measurement unit，即惯性丈量单元，一般由陀螺仪、加快剂和算法处理单元组成，经过对加快度和旋转视点的丈量得出自体的运动轨道。咱们把传统的IMU和与车身、GPS等信息交融的算法组合在一起的体系称为广义的、针对自动驾驶的IMU。

　　这个技能的呈现弥补了 GPS 定位的缺乏，两者相得益彰，能够让自动驾驶轿车取得最精确的定位信息。

　　组合导航触及到杂乱的坐标系转化，需求先对惯导体系做初始校准。一般是凭借参阅导航体系（如GNSS）给惯导体系一个初始方位值（意图是树立地舆坐标系和地球坐标系的初始坐标转化矩阵）和初始速度值；经过IMU自身的丈量值或凭借丈量仪器（倾角仪或双天线高精度GPS定向体系）取得初始姿势角（IMU输出的是载体坐标系相关于当地水平导航坐标系的姿势角，也叫欧拉角），对四元数和坐标转化矩阵进行初始化。

　　关于室内定位体系，需将自定义的局域直角坐标系（一般挑选定位区域的某个角作为原点，边界线作为x轴，右手原则确认y轴，笔直地上向上作为z轴）作为导航坐标系，因为二者都是直角坐标系但坐标系的原点和方向不一样，需求进行原点位移和坐标轴旋转，因而也需求初始对准。

　　初始对准完毕后进入惯导计算进程，读取IMU的角速度丈量值更新四元数和姿势改换矩阵，从而更新速度和方位，最终还能够将速度和方位转化到其他方针坐标系上进行表达，例如GNSS的经纬高地球坐标系。

　　第一类是依据光纤陀螺（FOG）的IMU，它的特色是精度高，但一起本钱也高，一般运用于精度要求较高的地图收集车辆。

　　第二类是依据微机电体系（MEMS）器材的IMU，它的特色是体积小，本钱低，环境适应性强，但缺陷是差错大。假如把它运用在自动驾驶车辆中，其需求经过比较杂乱的处理。

　　为了从IMU的原始数据得出导航定位输出，定位体系需求进行捷联惯性导航（SINS）解算，解算包含下面四个模块：

　　全球导航卫星定位是依据测距的肯定定位计划，其输出差错不会跟着作业时刻以及载体运动而发生变化。

　　全球导航卫星定位的一个明显特色是由单频单体系向多频多体系改变，多频多体系在极大的程度上进步了咱们导航体系的可靠性与可用性。

　　另一个明显特色是精细定位，已在民用范畴得到广泛运用。尤其是依据载波相位动态差分的RTK技能，在智能驾考、无人机、精细农业等范畴都有所运用。

　　但是因为GNSS是依据卫星定位的导航，这极大添加了定位的影响因子，也增大了定位成果的不确认性。

　　别的一个脆弱性体现在信号搅扰上。假如自动驾驶车辆自身以及加装设备导致车辆的电磁环境十分恶劣。

　　经过事前树立的高精度地图，合作线上的激光点云，定位体系也能完成肯定定位和厘米级高精度。这种办法的局限性则是添加了定位体系对高精地图的依靠。

　　外接轮式传感器的特色是分辨率和精度都十分高，缺陷是结构杂乱，可靠性难以确保，一般更适用于地图收集车。

　　内置轮式传感器的特色是无需外接设备，缺陷是精度低，差错比较大，假如用于自动驾驶车辆，则需求经过多重的处理才行。

　　这种运动束缚能确保极点的情况下，自动驾驶车辆的定位成果不至于发生极大的差错。

　　自动驾驶定位的办法不胜枚举，其触及传感器也各不相同。因而自动驾驶往往选用的是多传感器交融定位的办法。多传感器交融定位一般包含以下几个部分：

　　现在常用的导航定位优化办法，依然依据传统的卡尔曼滤波器（Kalman Filter），其优化的目标是使状况方差到达最小。一般树立卡尔曼滤波器模型，首先要挑选状况变量，现在多是依据导航参数差错和车载传感器差错，进行状况估量。随后，经过一步猜测和量测更新，状况方程能够完成在时刻域的递推。

　　别的，定位体系的故障诊断与阻隔可选用的传统软件办法有许多，比方卡方检测等，另一方面则能够凭借硬件上的冗余完成。例如，经过装备多套 GNSS/IMU，定位体系能够合作软件解析余度完成多传感器冗余，进步可靠性。

　　依据不同的运用场景，从手机定位、运动手表的步数记载，到自动驾驶轿车的高精度定位，对 IMU 的精度有不同的要求，精度高，也意味着本钱高。

　　为了让 IMU 取得更高的精度，在三个加快度计和三个陀螺仪的基础上，许多厂商还会添加磁力计，为了进步可靠性，有的还会添加传感器的数量。

　　ADI 公司的 MEMS IMU 传感器以多轴办法组合精细陀螺仪、加快度计、磁力计和压力传感器。ADI 能够可靠地检测并处理多个自由度(DoF) 即便是极为杂乱的运用和动态环境下。这些即插即用型解决计划包含完好的出厂校准、嵌入式补偿和传感器处理以及简略的可编程接口。

　　博世的 IMU 模块首要运用于无人机和机器人，以及一些消费类的产品中。博世将两个 3 轴 MEMS 传感器集成到一个封装中，IMU 中的加快度传感器和陀螺仪的组合能够满意高档消费电子运用的需求，例如智能手机中的游戏控制台或游戏运用。

　　深迪半导体是国内少量几家能将三轴陀螺仪和三轴加快度计集成到一个芯片中的厂商，深迪的IMU具有体积小、功耗低的特色，适用于消费电子市场，如安稳渠道、车联网、机器人等。