“探索自动驾驶汽车的隐藏奥秘：IMU”

惯性传感器、加速度计和角速度陀螺仪作为汽车的“内耳”，多年来在汽车气囊和稳定控制系统等的应用中执行了一点基本的低性能任务。

不需要其他传感器的输入，惯性传感器可以独立检测车辆的运动，例如简单的单轴加速度计可以检测汽车的高g急减速并打开气囊。 更先进的惯性传感器组件由两个正交的xy加速度计和一个单轴/双轴角速度陀螺仪组成，常用于车辆的稳定控制。 另外，横向、纵向的加速度和转速决定了是否需要采取防止侧翻或降低转弯时车轮打滑的措施。 本质上，惯性传感器组件决定了汽车能否在司机设置的轨道上行驶。

现在一般的车载惯性传感器单元可以测量某个方向的运动状态，但是惯性测量单元( imu )可以制作由三轴性加速度计和三轴角速度陀螺仪组成的模块，测量6个自由度(“6 dof或6轴”)。 imu可以通过构成6轴结构的直线运动( 3维/(/k0/)之间)和旋转测量组件)侧倾、俯仰、偏航)捕捉车辆运动状态的所有成分。 imu不仅可以控制气囊和车辆的稳定性，还可以实时跟踪计算车辆的位置和方向。 因此，imu通过准确的校正消除温度和偏差漂移后，与扩展卡尔曼滤波算法相结合，可以在短时间内准确定位车辆，而无需辅助。 更先进的系统融合了车轮速度和立场的新闻，辅助卡尔曼滤波器的定位估计，进一步提高定位精度。

最新一代的高级驾驶辅助系统( adas )和自动驾驶车需要高精度的imu来预测车辆的运动，以明确实时位置。 在这些先进的系统中，imu新闻与gps接收器，甚至激光雷达和摄像机等视觉传感器融合，不断估计和更新车辆位置新闻，输入系统的中央计算模块。 这种依赖于gps等附加传感器数据融合的imu导航系统被称为惯性导航系统( ins )。

光靠gps接收器不能提供连续不间断的高精度位置新闻，但通过接收全世界的卫星信号，可以使定位新闻在几米内准确无误。 在修正卫星时钟的误差和大气传输误差后，gps接收机可以通过实时动力学( rtk )等算法技术准确定位到2~4厘米左右。 gps接收机通常1 hz或每秒更新一次位置新闻，但也可以达到10hz~20hz，满足动态定位APP的诉求。 简单地说，道路状况最好的时候，车辆每在高速公路上行驶10英尺左右就会更新gps位置新闻。

每次更新gnss / gps接收器时，imu都可以用来估计车辆的位置，提高定位新闻的输出频率。 此外，gps接收机经常在“不利于gps信号”的环境中丢失信号，如隧道或高楼附近。 在这种情况下，imu需要估计10秒、20秒或30秒的位置，估计时间越长，imu的估计位置误差就越大。 一般自动驾驶系统允许的定位误差范围只有10~30 cm厘米，目前一些军用imu和研究用imu可以提供这种性能，但比不上5位数的价格。

为了向市场提供价格合理的imu，开发人员一般采用基于mems的加速度计和陀螺仪。 量产的硅基mems imu传感器的价格都低于100美元，可以很好地满足成本系统和产业系统的价格要求。 新一代mems imu传感器有望为包括全自动l5级驱动APP应用在内的高级汽车APP应用提供必要的精度和可靠性。

基于mems的惯性测量单元可以提供适合汽车市场的尺寸和技术，目前市场上一些性能良好的mems imu传感器的陀螺仪偏移不稳定性( bi )为5°/h，立场随机游动) arw )为0.5°/√h，加速度为 这些产品可以在gps更新间隔之间提供比较有效流畅的位置新闻。 但是，当车辆通过隧道和地下通道时，这些中等性能的imu在几秒钟后很难维持小于10厘米的位置精度。 目前，最先进的mems惯性传感器正在努力使陀螺仪bi接近1°/h，arw达到0.1°/√h的指标。 达到合适的技术水平后，gps+imu的组合导航系统可以满足高级自动驾驶APP所需的性能。

除了上述问题之外，振动和高瞬时加速度还会导致mems传感器的加速度计和陀螺仪结构的硅微指的粘连。 因为范德华力现象，一旦粘连，就不会轻易离开。 也不能像其他半导体设备那样在电源接通/电源接通周期中处理问题。

费用和工业市场可以接受基于mems的陀螺仪/加速度计的故障率，但能否满足汽车公司对低故障率和采用寿命的诉求？ 这是imu设备开发者面临的另一大挑战。

人人都期待着自动驾驶车早日取代现有的旧车辆，解放车库和停车场的宝贵空之间，使我们的道路更加安全和高效。 目前，全球数以万计的工程师正在致力于新一代传感技术的开发，提前实现了交通运输行业这一里程碑式的快速发展。

虽然imu设备技术和ins导航技术可能不为公众所知，但这无疑是确保自动驾驶车安全性和效率的基本要素。