本文介紹了IMU在自動(dòng)駕駛技術(shù)中的重要作用，嚴(yán)格來講，單純的IMU只提供相對(duì)定位信息，即自體從某時(shí)刻開始相對(duì)于某個(gè)起始位置的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。

評(píng)價(jià)自動(dòng)駕駛汽車的技術(shù)指標(biāo)很多，目前最受關(guān)注的主要是安全性、成本和運(yùn)營(yíng)范圍（也就是SAE自動(dòng)駕駛分級(jí)L1- L5的等級(jí)劃分中的ODD,設(shè)計(jì)運(yùn)行域Operational Design Domain）。這三個(gè)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，例如，運(yùn)營(yíng)范圍越小，應(yīng)用場(chǎng)景越簡(jiǎn)單，成本越低，同時(shí)安全性越高，反之亦然。因此競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)在于，誰能在更大的運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)提供更安全和更低成本的解決方案，或提供支持這種方案的核心器件。

從目前的情況看，園區(qū)或室內(nèi)的自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，而開放道路，尤其是城市環(huán)境下的全自動(dòng)駕駛技術(shù)仍然處于研發(fā)和測(cè)試階段。這里面固然有感知層面的問題，目前的傳感器對(duì)開放道路上的行人、動(dòng)物等目標(biāo)的檢測(cè)能力仍然有待提高，但另一個(gè)容易被忽視的問題是定位的難度。在一個(gè)不大的固定區(qū)域內(nèi)，定位問題可以通過基礎(chǔ)設(shè)施改造和SLAM技術(shù)解決；在室內(nèi)，UWB定位可以達(dá)到厘米級(jí)精度。然而，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)可以在更大范圍內(nèi)自動(dòng)駕駛的汽車，高精定位就成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

對(duì)于一輛自動(dòng)駕駛汽車來說，高精定位有兩層含義：

·得到自車與周圍環(huán)境之間的相對(duì)位置，即相對(duì)定位；

·得到自車的精確經(jīng)緯度，即絕對(duì)定位。

看到這里，很多人的第一反應(yīng)是，人自己開車的時(shí)候，從來不知道自己的經(jīng)緯度，為什么自動(dòng)駕駛汽車一定要做絕對(duì)定位呢？其本質(zhì)原因還是在于環(huán)境感知能力的差異。人類可以僅憑雙眼（和一些記憶、知識(shí)）就能精確地得出周圍的可行駛區(qū)域、道路邊界、車道線、障礙物、交通規(guī)則等關(guān)鍵信息，并據(jù)此控制汽車安全地行駛。然而目前人類所設(shè)計(jì)的傳感器和后處理算法還無法達(dá)到同樣的性能。

因此，自動(dòng)駕駛汽車對(duì)于周邊環(huán)境的理解需要高精地圖、聯(lián)合感知等技術(shù)的輔助。高精地圖可以把由測(cè)繪車提前采錄好的、用經(jīng)緯度描述的道路信息告訴車輛，而所有的車輛也可以把實(shí)時(shí)感知得到的、用經(jīng)緯度描述的動(dòng)態(tài)障礙物的信息廣播給周圍的車輛，這兩個(gè)技術(shù)疊加在一塊，就可以大大提高自動(dòng)駕駛汽車的安全性，從而拓展它們的運(yùn)營(yíng)范圍。之所以使用經(jīng)緯度來描述這些信息，是因?yàn)椴煌能囕v，包括采集高精地圖的測(cè)繪車在內(nèi)，必須使用同一個(gè)觀測(cè)坐標(biāo)系才能共享觀測(cè)的信息，而目前世界上最通用的觀測(cè)坐標(biāo)系就是由經(jīng)緯度定義的坐標(biāo)系，對(duì)絕對(duì)定位的需求就來自這里。

眾所周知，GPS可以為車輛提供精度為米級(jí)的絕對(duì)定位，差分GPS或RTK GPS可以為車輛提供精度為厘米級(jí)的絕對(duì)定位，然而并非所有的路段在所有時(shí)間都可以得到良好的GPS信號(hào)。因此，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，RTKGPS的輸出一般都要與IMU，汽車自身的傳感器（如輪速計(jì)、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等）進(jìn)行融合。其中，IMU的全稱是Inertial Measurement Unit，即慣性測(cè)量單元，通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成，通過對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量得出自體的運(yùn)動(dòng)軌跡。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(duì)自動(dòng)駕駛的IMU。

精確測(cè)量方向在一系列領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用，包括：航空航天、機(jī)器人、導(dǎo)航和人體運(yùn)動(dòng)分析和機(jī)器交互。雖然多種技術(shù)能夠測(cè)量方位，但基于慣性的感知系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是完全獨(dú)立，因此測(cè)量實(shí)體既不受運(yùn)動(dòng)限制，也不受任何特定環(huán)境或位置的限制。慣性測(cè)量單元(IMU)由陀螺儀和加速度計(jì)組成，能夠跟蹤旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)行三維測(cè)量，需要由三個(gè)相互正交的敏感軸組成的三軸傳感器。這也被稱為自由度(DoF)，三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)集成的IMU稱為6DOF IMU。而MARG (磁性，角速度和加速度)傳感器是一種混合IMU，它包含三軸磁強(qiáng)計(jì)，也被稱為九軸IMU（或者9DOF IMU）。6DOF普通IMU就只能測(cè)量相對(duì)于重力方向的姿態(tài)，這對(duì)于許多應(yīng)用來說都是足夠的。MARG系統(tǒng)(9DOF IMU)也被稱為AHRS(姿態(tài)和航向參考系統(tǒng))，能夠提供相對(duì)于重力方向和地球磁場(chǎng)的方向的完整測(cè)量。方位估計(jì)算法是任何IMU或MAG系統(tǒng)的基本組成部分。需要將單獨(dú)的傳感器數(shù)據(jù)融合到一個(gè)單一的、最優(yōu)的方位估計(jì)中。

前文介紹了IMU在自動(dòng)駕駛技術(shù)中的重要作用，嚴(yán)格來講，單純的IMU只提供相對(duì)定位信息，即自體從某時(shí)刻開始相對(duì)于某個(gè)起始位置的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。然而，將IMU的相對(duì)定位與RTK GPS的絕對(duì)定位進(jìn)行融合后，就產(chǎn)生了兩個(gè)無可替代的優(yōu)點(diǎn)：

（1）IMU可以驗(yàn)證RTK GPS結(jié)果的自洽性，并對(duì)無法自洽的絕對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和修正；一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，如果RTKGPS輸出汽車的絕對(duì)位置在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很大的變化，這意味著汽車有很大的加速度，而此時(shí)IMU發(fā)現(xiàn)汽車并不具備這樣的加速度，就表明RTK GPS的定位出了問題，應(yīng)該由IMU來接管絕對(duì)定位系統(tǒng)； （2）IMU可以在RTKGPS信號(hào)消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級(jí)定位精度，為自動(dòng)駕駛汽車爭(zhēng)取寶貴的異常處理的時(shí)間。同樣的道理，IMU也可以在相對(duì)定位失效時(shí)，對(duì)相對(duì)定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)定位的精度；例如，在車道線識(shí)別模塊失效時(shí)，基于失效前感知到的道路信息和IMU對(duì)汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

在上圖中，自動(dòng)駕駛汽車駛?cè)敫邩橇至⒌膮^(qū)域，失去了衛(wèi)星信號(hào)，無法由GPS提供絕對(duì)定位，此時(shí)，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)絕對(duì)定位的作用，在沒有GPS信號(hào)的區(qū)域?yàn)槠囂峁┙^對(duì)定位信息，這些信息包括汽車的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度和海拔高度，體現(xiàn)了IMU在絕對(duì)定位中的作用。

在上圖中，自動(dòng)駕駛汽車通過車道線識(shí)別功能確保自身在道路中行駛。在遇到強(qiáng)烈太陽光照射的情況下，車道線識(shí)別功能失效。此時(shí)，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)相對(duì)定位的作用，根據(jù)歷史記錄中的道路曲率與汽車相對(duì)于車道邊界的歷史位置，確保汽車在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)行駛在車道中。形象地體現(xiàn)了IMU在相對(duì)定位中的作用。

目前，大家對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在部分功能單元失效情況下的行為討論的不多，但一個(gè)基本的共識(shí)是，功能單元緩慢失效比突然失效更安全，有預(yù)警的失效比無意識(shí)的失效更安全。IMU與其它相對(duì)或絕對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)合使用后，使得定位系統(tǒng)即便失效，也是一個(gè)緩慢的、可預(yù)警的過程。

這里舉一個(gè)具體的例子來說明功能單元緩慢而有預(yù)警地失效的重要性。假如一輛自動(dòng)駕駛汽車在有車道線的路上行駛，它對(duì)道路邊界的判定由高精地圖和車道線識(shí)別系統(tǒng)通過融合得到，其中高精地圖必須配合高精定位才能使用（我們暫時(shí)不考慮帶有道路指紋的高精地圖）。這時(shí)汽車進(jìn)入了高樓林立的區(qū)域，GPS失去了信號(hào)，由IMU接管絕對(duì)定位，同時(shí)提供相對(duì)于此時(shí)此地的相對(duì)定位；而車道線識(shí)別系統(tǒng)有1%的概率完全找不到任何車道線和道路邊界。

那么，在99%的正常情況下，汽車可以切換到車道保持或ACC模式進(jìn)行安全行駛，在1%的極端狀況里，汽車可以根據(jù)IMU的相對(duì)和絕對(duì)定位信息，配合之前感知到的車道線信息和高精地圖，安全地減速或停車，并提示人工接管駕駛，在整個(gè)過程中可以確保安全。反過來說，如果汽車沒有IMU，在同樣的情況下，就有1%的概率無法得到自車相對(duì)于車道線和道路邊界的位置，汽車將完全成為高速奔跑的瞎子，即使急剎車也隨時(shí)有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。在實(shí)際系統(tǒng)中，高精地圖可以通過標(biāo)志、道路指紋等方式提供絕對(duì)定位，車道線識(shí)別也可以基于各種不同傳感器，這相當(dāng)于把上述1%的碰撞概率降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)，然而這對(duì)于高速場(chǎng)景下的乘用車和商用車來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。無論這個(gè)概率有多低，都需要有一個(gè)技術(shù)來最后處理這個(gè)概率條件下的極端工況，也就是說需要最后一道安全防線。

為什么自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線是IMU，而不是其它技術(shù)呢？主要原因有三個(gè)。第一，IMU對(duì)相對(duì)和絕對(duì)位置的推演沒有任何外部依賴，是一個(gè)類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對(duì)定位依賴于衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對(duì)定位依賴于感知的質(zhì)量和算法的性能，而感知的質(zhì)量與天氣有關(guān)，都有一定的不確定性。第二，同樣是由于IMU不需要任何外部信號(hào)，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對(duì)抗外來的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對(duì)或絕對(duì)定位時(shí)必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號(hào)，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號(hào)干擾而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情況損壞。第三，IMU對(duì)角速度和加速度的測(cè)量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計(jì)和方向盤轉(zhuǎn)角等冗余信息，使其輸出結(jié)果的置信度遠(yuǎn)高于其它傳感器提供的絕對(duì)或相對(duì)定位結(jié)果。

當(dāng)然，IMU也有其局限性，主要是價(jià)格昂貴。目前市面上主流的、能夠在GPS丟失后10秒內(nèi)提供車道級(jí)定位的IMU的價(jià)格在數(shù)千美元以上，且均為進(jìn)口，成為除激光雷達(dá)之外，自動(dòng)駕駛汽車的另一個(gè)成本瓶頸。值得欣慰的是，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有初創(chuàng)公司致力于研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，針對(duì)自動(dòng)駕駛專用的IMU，有望將其成本降到1萬元以下并保持精度不變。

當(dāng)自動(dòng)駕駛時(shí)代來臨，高精地圖及高精定位將會(huì)成為高級(jí)別智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要配置，高精度IMU也將會(huì)成長(zhǎng)為一個(gè)百億級(jí)的市場(chǎng)。

在自動(dòng)駕駛紛繁復(fù)雜無法窮舉的工況中，IMU以其超高的置信度、完全無需外部依賴的特性，以及強(qiáng)大的抗干擾能力，像一顆定海神針，為自動(dòng)駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。

自動(dòng)駕駛的核心內(nèi)涵包括定位、感知、決策、執(zhí)行四個(gè)部分，其中定位是決策和執(zhí)行的前提。定位系統(tǒng)主要作用是確定車輛所處的絕對(duì)位置；感知層的主要作用是收集和解析出周圍環(huán)境的信息；決策層基于對(duì)當(dāng)前位置和周圍環(huán)境的理解，做出實(shí)時(shí)的安全有效的執(zhí)行計(jì)劃；執(zhí)行層則是按照決策層的計(jì)劃進(jìn)行。

定位系統(tǒng)主要是以高精地圖為依托，通過慣性傳感器（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GNSS），來精確定位車輛所處絕對(duì)位置。其中，高精地圖可以為車輛環(huán)境感知提供輔助，提供超視距路況信息，并幫助車輛進(jìn)行規(guī)劃決策。慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)；而全球定位系統(tǒng)是通過衛(wèi)星定位，在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，提供三維坐標(biāo)和速度的定位系統(tǒng)。二者的結(jié)合就可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同構(gòu)成自動(dòng)駕駛定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

感知層主要功能是對(duì)環(huán)境信息和車內(nèi)信息進(jìn)行采集與處理，例如車輛的速度，方向，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和交通狀況等，并向決策層輸出信息。這一環(huán)節(jié)涉及到道路邊界檢測(cè)、車輛檢測(cè)、行人檢測(cè)等多種技術(shù)，所用到的傳感器一般有激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等。由于各個(gè)傳感器在設(shè)計(jì)的時(shí)候有各自的局限性，單個(gè)傳感器滿足不了各種工況下的精確感知，想要車輛在各種環(huán)境下平穩(wěn)運(yùn)行，就需要運(yùn)用到多傳感器融合技術(shù)，該技術(shù)也是環(huán)境感知這一大類技術(shù)的關(guān)鍵所在。

決策層的作用在于接收來自車體自身感知器件以及來自車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬空間信號(hào)，通過整合車載或云端處理結(jié)果，替代人類進(jìn)行決策判斷，輸出車輛控制信號(hào)。例如在車道保持、車道偏離預(yù)警、車距保持，障礙物警告中，需要預(yù)測(cè)本車與其他車輛、車道、行人等在未來一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)，并做出下一步動(dòng)作決策。這項(xiàng)技術(shù)相當(dāng)于自動(dòng)汽車的“駕駛腦”，以算法為核心，并通過半導(dǎo)體等硬件技術(shù)對(duì)高速運(yùn)算提供支持。

執(zhí)行層主要是在系統(tǒng)做出決策后，替代人類對(duì)車輛進(jìn)行控制，反饋到底層模塊執(zhí)行任務(wù)。車輛的各個(gè)操控系統(tǒng)都需要能夠通過總線與決策系統(tǒng)相鏈接，并能夠按照決策系統(tǒng)發(fā)出的總線指令精確地控制加速程度，制動(dòng)程度以及轉(zhuǎn)向幅度等駕駛動(dòng)作。

前面已經(jīng)對(duì)自動(dòng)駕駛的環(huán)境感知，實(shí)時(shí)定位有過介紹，同時(shí)也介紹了SLAM定位和用GPS RTK定位?！甊TK+高性能慣性導(dǎo)航+里程計(jì)’將會(huì)組成一套較為完備的高精度定位系統(tǒng)，當(dāng)然如果高精度地圖能提供地圖反饋的功能，甚至基于高精度地圖可以判斷樓宇橋梁位置，并對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的遮擋及多路徑效應(yīng)做出提前預(yù)判，就能夠大幅提高RTK定位精度。