一直用于導(dǎo)航任務(wù)的陀螺儀能促使自動駕駛汽車更進一步嗎?
本文來源:智車科技
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自動駕駛汽車,機器人和工業(yè)設(shè)備的發(fā)展推動了陀螺儀市場的升溫,這些設(shè)備都要求更高的精度和更小的體積。
多年來,陀螺儀一直用于導(dǎo)航任務(wù)。經(jīng)典的設(shè)計是機械陀螺儀,現(xiàn)在也有MEMS陀螺儀,一般高性能單元可能非常昂貴。
對于性能要求較低的應(yīng)用,比如手機、游戲機等,由于其體積小,成本低,微機電系統(tǒng)(MEMS)慣性測量單元(IMU)變得越來越流行。但是,需要這些MEMS器件的性能一直穩(wěn)步提高,從而使它們能夠扮演更重要的角色。目前,大部分MEMS陀螺儀仍需要其他傳感器融合應(yīng)用,檢驗輸出的結(jié)果。
目前,學(xué)術(shù)界雖然出現(xiàn)了很多低漂移陀螺儀,而且各種陀螺儀架構(gòu)也很簡單,但是,這種技術(shù)仍沒有成功走近真實的商業(yè)市場。
對于自動駕駛汽車來說,由加速度計和陀螺儀組成的IMU非常重要,能夠完成導(dǎo)航定位的任務(wù)。但價格較低的MEMS版本需要通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號以及來自攝像頭,雷達(dá)和激光雷達(dá)的其他輸入以及磁力計來進行校正。盡管,近幾年隨著性能的提高,一些產(chǎn)品只需要很少的校正。不過,它們不太可能很快就能夠完全滿足關(guān)鍵應(yīng)用的需求。
IMU
IMU通過跟蹤線性和旋轉(zhuǎn)慣量的變化來測量運動。它們至少由兩種不同類型的傳感器,加速度計和陀螺儀組成。這些傳感器可以使用傳統(tǒng)的宏尺度技術(shù)來構(gòu)建,也可以通過使用MEMS技術(shù)來構(gòu)建。
加速度計可通過感應(yīng)線性加速度來測量線性運動。陀螺儀(或簡稱為陀螺儀)可測量方向變化。
理想情況下,將加速度計或陀螺儀組合在單個芯片上,三個軸可以提供更好的軸對齊,并且可以確保兩種傳感器之間的最佳軸對齊。磁力計一般不能集成在單片中,因為它們的結(jié)構(gòu)與加速度計和陀螺儀不兼容。
雖然單片集成是可能的,但IMU通常由用于不同傳感器類型的共封裝芯片制成。
大多數(shù)IMU是使用三個單獨的芯片組裝的(三軸陀螺儀,三軸加速度計和三軸磁力計)。高性能IMU可能包含三個單獨的單軸陀螺儀芯片,并且可能包含五到九個芯片。在這種情況下,需要從正交性的任何偏差中進行調(diào)整。
無論IMU是包含單個芯片,還是組合了單獨的加速度計和陀螺儀芯片,每個傳感器的每個軸都會被計數(shù)。這提供了一個所謂的六軸傳感器(如果沒有磁力計)。具有三軸磁力計的IMU被視為九軸傳感器。
航位推算,漂移,等級和價格
航位推算是指通過跟蹤位置和方向隨時間的變化來測量位置的過程。以給定的速度沿特定方向行駛將產(chǎn)生一個的位置。從該位置繼續(xù)行駛到一個新位置。
然而,挑戰(zhàn)在于沒有任何測量是沒有錯誤的。每個測量位置都會有一定的誤差,而下一個位置的測量也會有誤差,并且該誤差將加重第一個位置的誤差。這些誤差可能累積到實際位置可能與計算出的位置明顯偏離的地步。
如果用性能來定義這些系統(tǒng)的應(yīng)用等級,那么以偏置穩(wěn)定性(或偏置不穩(wěn)定性或漂移)來衡量。漂移是以度/小時或每小時累積的方向誤差度數(shù)為單位的。
加速度計和陀螺儀都有誤差,但是陀螺儀主導(dǎo)了整體漂移。這導(dǎo)致了IMU根據(jù)其適合的應(yīng)用進行分級。
最苛刻的應(yīng)用仍然需要機械傳感器,并且非常昂貴。
較舊的機械模型正在讓步給較新的技術(shù),其中包括正在逐步改進的MEMS技術(shù)。MEMS單元可能會侵蝕FOG技術(shù)今天可以解決的某些問題,但將來不太可能取代HRG和RLG技術(shù)。預(yù)計將增長到足以使MEMS失去低端地位的同時,仍將保持增長并保持自己的地位。
MEMS技術(shù)降低了低端IMU的價格,這些IMU主要用于商業(yè)(如智能手機)和工業(yè)應(yīng)用。
博世產(chǎn)品經(jīng)理Peter Spoden和Michael Rupp表示,MEMS陀螺儀的漂移已減半,并有望進一步改善。他們說:“ 10°/ h的不穩(wěn)定性一直是MEMS的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),” 如今,使用MEMS可以達(dá)到1至5°/ h。對于未來,低于1°/ h的范圍似乎可以實現(xiàn)。
那么,MEMS技術(shù)會繼續(xù)進入高端應(yīng)用領(lǐng)域嗎?隨著自動駕駛汽車的出現(xiàn),人們對針對汽車市場定價的更高質(zhì)量的傳感器重新產(chǎn)生了興趣。但是,盡管一家公司似乎已朝著這個方向邁出了一大步,但大多數(shù)制造商認(rèn)為,由于IMU通常與其他技術(shù)結(jié)合以糾正錯誤,因此進一步的改進并不是真正重要的。
傳感器融合
盡管MEMS IMU在任何長時間內(nèi)都不可能進行航位推算,但MEMS陀螺儀仍被定位用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用,例如自動駕駛汽車導(dǎo)航。這是因為陀螺儀(通常是IMU)只是一種導(dǎo)航技術(shù)。
位置信息的主要來源仍然是GNSS信號,例如GPS。西門子業(yè)務(wù)部門Mentor的應(yīng)用工程顧問Jeff Miller表示:“許多用例都依靠GPS使用卡爾曼濾波器等進行漂移校正,因此他們不必?fù)?dān)心長期漂移! 當(dāng)車輛進入隧道或停車場,傳遞信號的衛(wèi)星不再“可見”時,這種方法將失敗。在這種情況下,IMU可以提供短期位置信息,直到重新獲取GNSS信號為止。
另一位專家菲茨杰拉德說:“如果您要能夠承受GPS的5秒模糊測試,并且以50至70英里/小時的速度行駛,則需要一個非常好的陀螺儀! “如果您只擔(dān)心一秒鐘的退出,那么也許您可以擺脫精度較低的陀螺儀的困擾! 但是,例如阿爾卑斯山中最長的公路隧道是哥德哈德公路隧道,長約17公里(10.5英里)。以60 mph的速度行駛時,這意味著離GNSS信號的距離會略微超過10分鐘,而對于MEMS IMU來說,這是很長的時間。
磁力計還用于幫助校正陀螺儀的漂移。磁力儀像陀螺儀一樣測量方位,這提供了一個相對穩(wěn)定的參考點,因此算法可以同時查看陀螺儀和磁力計的結(jié)果來確定方向。
GNSS信號不可用時會與IMU進行折衷(這意味著一個或另一個正在使用中),而GNSS信號與之不同,此處兩個傳感器不斷融合在一起,以達(dá)到比單獨使用任一個傳感器更準(zhǔn)確的結(jié)果。這是所謂的傳感器融合的特定示例。它合并大量傳感器輸出的結(jié)果,以產(chǎn)生更好的組合結(jié)果。
磁力計也有其缺點,主要是有些物體可能影響磁場。被稱為“磁異!钡慕饘佘囕v,電梯,甚至大的巖石露頭都會使磁力計的讀數(shù)失真。在此類異常持續(xù)存在的應(yīng)用中(例如,在大型電動機附近或在電氣室內(nèi)),不能可靠地使用磁力計。
但是,在那些應(yīng)用程序之外,異常可能是暫時的。沒有一種拒絕異常的固定算法。
除此之外,還有許多其他技術(shù)可以幫助定位服務(wù)。IMU提供“由內(nèi)而外”的視圖,移動傳感器在其中確定自己的位置。外部信號(如GNSS)提供“從里到外”的視圖,其中外部因素告訴移動的物體在哪里。例如,在購物中心內(nèi),各種WiFi或藍(lán)牙信標(biāo)都可以對購物者及其智能手機的位置進行三角測量。智能手機中的IMU和信標(biāo)信號一起可以提供足夠精確的定位,以在商店內(nèi)定位購物者。
當(dāng)然,這種方法也可以在道路上使用?梢蚤_始在道路,基礎(chǔ)設(shè)施中放置信標(biāo)。比如將信標(biāo)放在隧道中。
對于自動駕駛汽車而言,至關(guān)重要的一點是,偏離路線的余地很小。如果您在高速公路上開車,您可能無法承受超過10或20厘米的漂移,否則有可能撞到相鄰的汽車。
這是高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)尤為重要的地方。這種系統(tǒng)為車輛配備了許多額外的傳感器,尤其是攝像頭,雷達(dá)和激光雷達(dá)。使用AI算法將這些傳感器信號組合在一起,以識別預(yù)期和意外的項目,從而提供了一個巨大的傳感器融合解決方案。
博世團隊表示:“無人駕駛汽車始終必須獲得環(huán)境認(rèn)可! “ IMU絕不能單獨使用,而必須始終是一個完整系統(tǒng)的一部分,該系統(tǒng)由激光雷達(dá),雷達(dá)和軟件等其他設(shè)備組成。作為這種系統(tǒng)的一部分,今天的IMU就足夠了!
但是,對于可能無法停留在涂有油漆良好線條的城市道路上的“隨處可見”車輛,它們可能不夠用。在如此遙遠(yuǎn)的地區(qū),自動駕駛?cè)允遣荒芙鉀Q的問題(尤其是在沒有蜂窩通信的情況下)。菲茨杰拉德說:“要讓自動駕駛汽車在沒有這些車道標(biāo)志或交通信號燈或停車牌識別的地形上行駛,將是非常困難的!
“我們需要將ADAS車輛(具有越來越高的自治性)和機器人汽車(或Robotaxis)分開,它們已經(jīng)完全自主,但是在地理上受到限制! “由于機械人的業(yè)務(wù)模型(移動即服務(wù))不同,目前暫時沒有成本約束。但是他們對性能有很高的要求!
對于配備ADAS的汽車,購買價格是主要的經(jīng)濟考慮因素。因此,根據(jù)車的成本控制,IMU的價格必須低于100美元,這樣在60 km / hr的速度下,它們在20到30秒內(nèi)的漂移精度僅為幾厘米。相比之下,robotaxis可以忍受更高的精度價格-每行駛1公里僅漂移幾厘米的系統(tǒng),其價格就高達(dá)10,000美元。
需要導(dǎo)航的低成本車輛可能仍然認(rèn)為高質(zhì)量MEMS IMU過于昂貴。對于那些想要將這類陀螺儀用于無人機,機器人和不支持300美元價格的產(chǎn)品的人們來說,它開始崩潰。他們可以花30美元購買MEMS陀螺儀,但300美元太高了!
對于所有的融合傳感器,甚至可能有人會質(zhì)疑某些駕駛應(yīng)用是否仍需要IMU。其他傳感器(雷達(dá),攝像機,激光雷達(dá)等)的組合所取得的進展提出了慣性系統(tǒng)從長遠(yuǎn)來看是否有用的問題。在某些時候,所有其他傳感器都可以在沒有此類傳感器的情況下校準(zhǔn)汽車的位置。
結(jié)論
尚不清楚MEMS陀螺儀將進一步改善多少。在大多數(shù)情況下,它們正在逐漸變得更好。但是,由于在此類汽車中設(shè)計了大量傳感器融合技術(shù),因此他們沒有很大的壓力去改進最明顯的應(yīng)用,即汽車。
如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運營等級,那么它們可能會降低高端成本,但是其中許多應(yīng)用程序都有嚴(yán)格的要求和較低的體積,因此投資回報率不確定。巨大的改進將需要苛刻的新應(yīng)用程序。- End -
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