2023-02-12自动驾驶定位传感器

就定位而言,自动驾驶汽车上每一种单一传感器都有其优点和局限性,为了安全冗余,一般会装配多种定位传感器,结合不同信号源融合定位。

GNSS

GNSS全称为Global Navigation Satellite System(全球导航卫星系统),通过接收卫星信号,可以确定信号接收器在地球上的位置。目前GNSS系统包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略。

见过自动驾驶公司测试车的,应该都看到过车顶上像光滑的小蘑菇一样的东西,那就是GNSS的天线。

GNSS定位分为单点定位、差分定位。单点定位指的是通过自身接收器接收到至少四颗卫星信号,从而计算出自身位置;而差分定位即RTK(Real Time Kinematic), 又称相位载波差分定位,需要额外建立一个接收卫星信号的参考站(基准站), 通过用户站与基准站相位载波差分,从而确定用户站的位置。差分定位技术RTK精度更高(厘米级),稳定性也更好,但成本也更高。

详细GNSS定位的技术原理参考:全球导航卫星系统(GNSS,含GPS、北斗、GLONASS、伽利略等系统)定位的原理是什么?

GNSS定位方法,尤其是RTK,在卫星信号好的路段表现还是比较稳的,能够直接提供绝对位姿信息,在自动驾驶领域可以说必不可少。

但其缺点也很明显:在卫星信号不好的地方效果就会不稳定,甚至直接Fail。因此,在隧道、地下车库等场景,就完全忘掉 GNSS吧,而在高架桥下、高楼大厦脚下、茂密树木下等场景,GNSS可能不会直接失效,但定位结果会非常不稳定。

当然,GNSS会给用户发送状态相关标志位,其中包括了信号丢失、解算不好等状态。但在实践中,经常遇到GNSS标志位正常,但轨迹误差很大的情况,即GNSS对自身状态的判断可能不准确,给下游算法带来一定困难。

惯性导航IMU

IMU全称Inertial Measurement Unit,由陀螺仪提供角速度,加速度计提供加速度,通过对角速度、加速度进行积分,能够得到两个时刻之间的相对旋转和平移。

IMU能够获得高频(100hz)且准确的6Dof相对运动信息,有比较成熟的标定方案、积分理论,在无人机领域应用非常广泛。

IMU最大的不足就在于存在累计误差(AccumulatedError),即使短时间内相对位姿是准的,可能积分一段时间后绝对位姿就漂的厉害。而漂的程度取决于IMU自身性能,主要关注零偏不稳定性,一般越贵越好(废话)。一般会考虑借助GNSS或视觉SLAM闭环检测来矫正IMU的累计误差,比较成熟的框架例如ESKF。

另外,IMU参数复杂,相关理论也比较晦涩难懂,是个很考研工程师经验和理论功底的仪器。就是把零偏、随机游走、Allan方差等基本概念搞懂也要掉点头发才行,真正要用好IMU更是需要各种玄学调参经验。如果工程师经验不足或没有足够的数学功底,可能连介绍文档都看不懂,即使拿着很成熟的标定工具(Kalibr)或算法框架(VINS)也不一定能用好。而如果标定参数不准,很贵的IMU用起来也可能效果很差。然而,现在IMU供应商一般可以提供比较完整的滤波算法,甚至提供GNSS、轮速的接口,给输出算法校正后的6Dof位姿,用户直接拿来用就行。

车辆轮速计

车辆轮速计,或者叫里程计Odometry, 可以通过测量车轮圈数,推算出前进了多少米;另外通过方向盘转角信号,获得朝向信息。

轮速计原理简单,且比较稳定,不会产生大跳变。但轮速计只能得到二维空间3Dof的运动,无法得到三维空间6Dof运动,即只能获得 [X,Y,Yaw] , 无法获得 [Z, Roll, Pitch] 。因此,在上下坡道、道路颠簸、地库上下层等场景,只使用轮速计会存在较大误差。并且,当负重、胎压有变化时,也会给轮速计积分带来误差。

组合导航

组合导航方案不适用某种单一传感器,而是结合多个传感器的输出,通过算法融合得到更准确的位置和姿态。例如将GNSS/RTK和IMU/轮速计结合的组合导航技术,融合了GNSS/RTK的绝对位姿和IMU/轮速计推算的相对位姿,综合了两者的优点,在自动驾驶中使用率非常高。

现在已经有一些成熟的供应商,例如国外的Novatel、国内的导远,将硬件和融合算法集成为一套组合导航设备,直接给客户输出定位结果。

很多初创公司在demo阶段来不及做一套定位方案,定位结果实际上直接由购买的组合导航仪器提供,在大部分路段效果也还不错,拿给客户演示没有问题。更稳的方式是RTK+IMU提供初值,再用视觉+高精地图对位姿进行矫正,这也是当下自动驾驶公司主流的定位方案。

视觉/激光定位

相机和激光雷达不属于位姿传感器,不能直接输出位置和姿态,但是基于SLAM技术,可以利用视觉或激光雷达的观测计算出运动信息。这一般也是当前自动驾驶公司定位建图组的核心研发方向。

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