浅析惯导单元在自动驾驶级导航要求中的重要意义

7月举办的百度AI开发者大会上，百度与厦门金龙合作全球首款L4级别的自动驾驶汽车阿波龙小巴车被宣布正式量产下线，这一新闻着实刷了一阵屏，引发业界广泛热议。美国机动车工程师协会（SAE）将汽车自动化划分为5个等级。

L3级别为有条件的自动驾驶，需要驾驶员介入，L4级别为高度自动驾驶，已经不需要驾驶员的介入，但是不能应对全部工况，只能在设计工况下完成驾驶任务。“阿波龙”巴士无方向盘、无驾驶位，无油门和刹车踏板，驾驶过程中自然没有驾驶员干预，实现了真正的L4级别无人驾驶。自动驾驶巴士被认为是解决城市“最后一公里”难题的有效方案，大多用于机场、旅游景区和办公园区等封闭的场所。而业界普遍认为，自动驾驶技术在特定场所和公共交通领域的使用将早于在个人乘用车市场的普及。英国利玆大学公共交通研究学院教授Natasha Merat教授曾对媒体表示：“在组织和控制严密的场所更加适合成为自动驾驶技术发芽的土壤，因为从控制和管控方面都更容易被政策制定者监管"。

ADI大中华区汽车电子市场经理崔正昊（Jerry）也认为，自动驾驶会率先在共享租车、商用车、特种车辆等有限应用场景条件车辆上实现。这些高度重视性能、对成本不敏感的行业市场，将带动自动驾驶整体市场快速发展，推动技术成熟、硬件成本降低，最后在乘用车市场得以广泛应用。

据悉，作为百度Apollo的重要合作伙伴，ADI公司的惯性测量单元(IMU)被用于做阿波龙的惯性导航。惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，不受外界天气状况等影响，已经广泛应用于高精度地图、矿车、港口车、特种车和商用车等领域。惯性测量单元（IMU）传感器整合了精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器的多轴组合，它们以智能方式融合在一起，为稳定和导航应用提供可靠的位置和运动识别。即使在复杂工作环境中以及在动态或极限运动动态下，精密MEMS IMU也能提供所需的精度水平。经过独特开发的ADI iSensor IMU技术产品组合具有战术级稳定性和超低噪声，可提供高达十个运动自由度，并且全都经过全面的工厂校准和优化的嵌入式传感器调节。iSensor IMU已在多个领域推动了向自主机器的快速进步。如今，借助这些战术级IMU，已经能够可靠地引导无人驾驶的陆地车辆和航空器。

ADI的车用IMU产品方案是针对汽车应用场景从战术级降维至车规级而开发，将传统的IMU和与车身、GPS等信息融合的算法组合在一起的系统称为广义的、针对自动驾驶的IMU，可以堪称业界最强方案。

图：ADI汽车惯导单元（IMU）秉承战术级产品高品质传统，享誉业界。除了检测周围环境之外，自动驾驶车辆还需要能在各种气候条件下感受路况并做出响应。IMU连同板载ADAS和卫星定位输入，提供精确的车辆位置和航向画面，同时抑制正常驾驶产生的冲击和振动。目前的GPS有很多时候是精度不够准确或者无效的，例如在隧道中经常因为信号不好无法使用，或者在市中心的高楼里GPS信号容易被折射反射。这个时候IMU就可以增强GPS的导航能力。例如，在车道线识别模块失效时，利用失效之前感知到的道路信息和IMU对汽车航迹的推演，仍然能够让汽车继续在车道内行驶。

此外，GPS更新频率过低（仅有10Hz）不足以提供足够实时的位置更新，IMU的更新频率可以达到100Hz或者更高完全能弥补GPS所欠缺的实时性。GPS/IMU组合系统通过高达100Hz频率的全球定位和惯性更新数据，可以帮助自动驾驶完成定位。通过整合GPS与IMU，汽车可以实现既准确又足够实时的位置更新。

Jerry指出：“惯性导航是目前最有可能在车辆发生紧急状况时帮助将车停到安全位置的技术。ADI拥有从战术级降维至车规级开发的汽车IMU产品，系统性能业界最强。”而对于市面上部分从手机陀螺仪起步、向上提升性能以满足汽车应用的IMU产品，Jerry建议保持谨慎，“毕竟汽车关乎生命安全、不容轻忽，自动驾驶IMU可靠性要求远远高于消费类、工业类要求。”以ADIS16495系列为例，这款完整的战术级、6自由度惯性传感器系统内置一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。ADIS16495中内置的每个惯性传感器都实现了业界领先的iMEMS®技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。工厂校准针对各传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度（陀螺偏置）进行校准。因此，各传感器均有其自己的动态补偿公式，可提供精确的传感器测量。与复杂且昂贵的分立设计方案相比，ADIS16495为精确的多轴惯性检测与系统的集成提供了简单而经济高效的方法。所有必需的运动测试及校准都是工厂生产过程的一部分，大大缩短了系统集成时间。严格的正交对准可简化导航系统中的惯性坐标系对准。串行外设接口(SPI)和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供简单的接口。

目前业界通过整合GNSS与IMU，汽车可以实现既准确又足够实时的位置更新。出来百度阿波龙，全球导航卫星系统领先OEM厂商诺瓦泰（NovAtel）的GNSS/INS产品也采用了ADI的IMU方案，目前已广泛应用于各种智能汽车或自动驾驶实验车型中。

Jerry表示：“目前ADI在做的是，与更多合作伙伴合作重新定义IMU产品，从终端消费者对性能的追求反推成本承受度，共同努力将价格降到量产级，以最大范围为更多的生命提供安全保障。”