惯性测量传感器——未来L4/L5级自动驾驶汽车的关键传感器

图片来源：Aceinna—Inertial Measurement Systems

　　使用加速度计和陀螺仪的惯性测量单元（IMU）传感器，有助于降低自动驾驶汽车的安全风险。

　　自动驾驶是汽车行业的未来趋势，先进的位置传感器技术正在帮助汽车实现更安全、准确地自动驾驶。关于真正的自动驾驶汽车何时才能成为现实，有许多预测。

　　在等待的过程中，许多车辆都配备了各种先进的驾驶员辅助系统（ADAS），如车道偏离警告、辅助停车和自动制动。尽管这些技术非常有用，但它们被认为自动驾驶水平只有SAE 1级（驾驶辅助）或2级（部分驾驶自动化），这意味着它们仍然需要驾驶员100%的参与。

　　最大的问题是，什么时候才能见证技术飞跃到5级，或者无需驾驶员介入的全自动驾驶汽车？不幸的是，离这项技术被广泛接受并应用于任何类型的车辆似乎还有一段时间。为什么？关键挑战是如何确保安全。

　　要实现完全自主，需要绝对相信：在任何天气或道路条件下，车辆能够继续安全准确地运行，并避免对乘客、行人或财产造成重大伤害。

　　01 用于自动驾驶的安全停车传感系统

　　通过消除数据中断和提高操作的安全性，IMU有助于加快实现全自动驾驶的进程。如果没有IMU传感器提供安全缓冲，自动驾驶汽车将永远无法在城市街道和高速公路上有效工作。

　　02 什么是IMU传感器，它如何工作？

　　大多数IMU传感器由两组不同的传感器组成——加速度计传感器和陀螺仪传感器。加速度计传感器测量三个正交轴上的线性加速度。对加速度积分，获得速度，而对随时间改变的速度积分，位置会随之改变。

　　陀螺仪传感器测量三个正交轴的角速率。随着时间的推移，沿三个轴的角速率积分将获得滚转、俯仰和偏航的变化www.cechina.cn，这是物体姿态的变化。

　　带有陀螺仪和加速度计传感器的IMU模块，可以提供6个自由度（通常称为6-DOF）以上的测量。

▲图1：IMU传感器依赖于重力和运动物理。与视觉、雷达、激光雷达和其它感知传感器以及基于卫星GNSS信号的转向系统不同，基于IMU的制导系统不受恶劣环境条件和隧道和树叶等物理障碍物的影响，能够继续运行。

　　03 为什么有些IMU还包括磁力计？

　　在IMU中集成磁力计可以帮助检测物体的初始航向，并在传感器融合算法中校正偏航陀螺仪的集成误差。

▲图2：IMU使用其加速度计和陀螺仪传感器，来捕捉6个自由度、3个运动轴（向前和向后、向左和向右、向上和向下）以及3个旋转轴（滚转、俯仰和偏航）的测量值。

　　04 IMU性能测量和三重冗余

　　偏置不稳定性是陀螺仪最关键的性能参数之一。这是陀螺仪随时间漂移程度的直接测量。陀螺仪的速率输出，经积分后可以计算角度（滚转、俯仰和偏航）的变化，因此与漂移相关的任何误差都会导致相对角度的累积误差。

　　此外，随着时间的推移，这些角度误差被转化为位置误差。对于汽车应用，高性能IMU是自动驾驶汽车实现高精度定位的必要部件。

　　在三冗余IMU中，三个IMU用于构建三冗余传感器架构，该架构提供额外的可靠性和准确性。

▲图3：Aceinna的三重冗余IMU传感器，提供了额外的安全性、准确性和可靠性，这是确保自动驾驶汽车在高速公路和密集的城市环境中安全运行所必需的。

　　如果由于某种原因一个或多个传感器无法准确工作，则可以对系统进行编程以识别有缺陷的传感器数据并避免使用它。有缺陷的传感器输出或错误的数据集将被忽略或降低其重要性。这种架构确保了系统的可靠性，同时提高了性能。

　　IMU传感器可能不会像其它传感器（即激光雷达和相机）那样吸引众多的注意力和媒体报道。然而，在许多方面，IMU是未来十年内将出现在街头的SAE 4级和5级自动驾驶汽车成功运行所需的关键安全传感器组件。(作者 | James Fennelly)

　　关键概念：

　　■ 使用加速度计和陀螺仪的惯性测量传感器，将加快全自动驾驶的发展。

　　思考一下：

　　如何才能确保车辆进行安全的完全自动驾驶？

图说工控