MEMS陀螺儀在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的應(yīng)用及發(fā)展

自動(dòng)駕駛汽車(chē)，機(jī)器人和工業(yè)設(shè)備的發(fā)展推動(dòng)了陀螺儀市場(chǎng)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(lái)，陀螺儀一直用于導(dǎo)航任務(wù)。經(jīng)典的設(shè)計(jì)是機(jī)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(duì)于性能要求較低的應(yīng)用，比如手機(jī)、游戲機(jī)等，由于其體積小，成本低，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性測(cè)量單元（IMU）變得越來(lái)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(yàn)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(jiǎn)單，但是，這種技術(shù)仍沒(méi)有成功走近真實(shí)的商業(yè)市場(chǎng)。

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)，由加速度計(jì)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(jià)格較低的MEMS版本需要通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)以及來(lái)自攝像頭，雷達(dá)和激光雷達(dá)的其他輸入以及磁力計(jì)來(lái)進(jìn)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(guò)，它們不太可能很快就能夠完全滿(mǎn)足關(guān)鍵應(yīng)用的需求。

IMU

IMU通過(guò)跟蹤線(xiàn)性和旋轉(zhuǎn)慣量的變化來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)。它們至少由兩種不同類(lèi)型的傳感器，加速度計(jì)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(lái)構(gòu)建，也可以通過(guò)使用MEMS技術(shù)來(lái)構(gòu)建。

加速度計(jì)可通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)性加速度來(lái)測(cè)量線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。陀螺儀（或簡(jiǎn)稱(chēng)為陀螺儀）可測(cè)量方向變化。

理想情況下，將加速度計(jì)或陀螺儀組合在單個(gè)芯片上，三個(gè)軸可以提供更好的軸對(duì)齊，并且可以確保兩種傳感器之間的最佳軸對(duì)齊。磁力計(jì)一般不能集成在單片中，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)與加速度計(jì)和陀螺儀不兼容。

雖然單片集成是可能的，但I(xiàn)MU通常由用于不同傳感器類(lèi)型的共封裝芯片制成。

大多數(shù)IMU是使用三個(gè)單獨(dú)的芯片組裝的（三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)）。高性能IMU可能包含三個(gè)單獨(dú)的單軸陀螺儀芯片，并且可能包含五到九個(gè)芯片。在這種情況下，需要從正交性的任何偏差中進(jìn)行調(diào)整。

無(wú)論IMU是包含單個(gè)芯片，還是組合了單獨(dú)的加速度計(jì)和陀螺儀芯片，每個(gè)傳感器的每個(gè)軸都會(huì)被計(jì)數(shù)。這提供了一個(gè)所謂的六軸傳感器（如果沒(méi)有磁力計(jì)）。具有三軸磁力計(jì)的IMU被視為九軸傳感器。

航位推算，漂移，等級(jí)和價(jià)格

航位推算是指通過(guò)跟蹤位置和方向隨時(shí)間的變化來(lái)測(cè)量位置的過(guò)程。以給定的速度沿特定方向行駛將產(chǎn)生一個(gè)的位置。從該位置繼續(xù)行駛到一個(gè)新位置。

然而，挑戰(zhàn)在于沒(méi)有任何測(cè)量是沒(méi)有錯(cuò)誤的。每個(gè)測(cè)量位置都會(huì)有一定的誤差，而下一個(gè)位置的測(cè)量也會(huì)有誤差，并且該誤差將加重第一個(gè)位置的誤差。這些誤差可能累積到實(shí)際位置可能與計(jì)算出的位置明顯偏離的地步。

如果用性能來(lái)定義這些系統(tǒng)的應(yīng)用等級(jí)，那么以偏置穩(wěn)定性（或偏置不穩(wěn)定性或漂移）來(lái)衡量。漂移是以度／小時(shí)或每小時(shí)累積的方向誤差度數(shù)為單位的。

加速度計(jì)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(jìn)行分級(jí)。

最苛刻的應(yīng)用仍然需要機(jī)械傳感器，并且非常昂貴。

較舊的機(jī)械模型正在讓步給較新的技術(shù)，其中包括正在逐步改進(jìn)的MEMS技術(shù)。MEMS單元可能會(huì)侵蝕FOG技術(shù)今天可以解決的某些問(wèn)題，但將來(lái)不太可能取代HRG和RLG技術(shù)。預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到足以使MEMS失去低端地位的同時(shí)，仍將保持增長(zhǎng)并保持自己的地位。

MEMS技術(shù)降低了低端IMU的價(jià)格，這些IMU主要用于商業(yè)（如智能手機(jī)）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(jìn)一步改善。他們說(shuō)：“ 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(duì)于未來(lái)，低于1°／ h的范圍似乎可以實(shí)現(xiàn)。

那么，MEMS技術(shù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)入高端應(yīng)用領(lǐng)域嗎？隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)，人們對(duì)針對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)定價(jià)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(gè)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(cuò)誤，因此進(jìn)一步的改進(jìn)并不是真正重要的。

傳感器融合

盡管MEMS IMU在任何長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不可能進(jìn)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(dòng)駕駛汽車(chē)導(dǎo)航。這是因?yàn)橥勇輧x（通常是IMU）只是一種導(dǎo)航技術(shù)。

位置信息的主要來(lái)源仍然是GNSS信號(hào)，例如GPS。西門(mén)子業(yè)務(wù)部門(mén)Mentor的應(yīng)用工程顧問(wèn)Jeff Miller表示：“許多用例都依靠GPS使用卡爾曼濾波器等進(jìn)行漂移校正，因此他們不必?fù)?dān)心長(zhǎng)期漂移?！?當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入隧道或停車(chē)場(chǎng)，傳遞信號(hào)的衛(wèi)星不再“可見(jiàn)”時(shí)，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(hào)為止。

另一位專(zhuān)家菲茨杰拉德說(shuō)：“如果您要能夠承受GPS的5秒模糊測(cè)試，并且以50至70英里／小時(shí)的速度行駛，則需要一個(gè)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(zhǎng)的公路隧道是哥德哈德公路隧道，長(zhǎng)約17公里（10．5英里）。以60 mph的速度行駛時(shí)，這意味著離GNSS信號(hào)的距離會(huì)略微超過(guò)10分鐘，而對(duì)于MEMS IMU來(lái)說(shuō)，這是很長(zhǎng)的時(shí)間。

磁力計(jì)還用于幫助校正陀螺儀的漂移。磁力儀像陀螺儀一樣測(cè)量方位，這提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的參考點(diǎn)，因此算法可以同時(shí)查看陀螺儀和磁力計(jì)的結(jié)果來(lái)確定方向。

GNSS信號(hào)不可用時(shí)會(huì)與IMU進(jìn)行折衷（這意味著一個(gè)或另一個(gè)正在使用中），而GNSS信號(hào)與之不同，此處兩個(gè)傳感器不斷融合在一起，以達(dá)到比單獨(dú)使用任一個(gè)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(jì)也有其缺點(diǎn)，主要是有些物體可能影響磁場(chǎng)。被稱(chēng)為“磁異?！钡慕饘佘?chē)輛，電梯，甚至大的巖石露頭都會(huì)使磁力計(jì)的讀數(shù)失真。在此類(lèi)異常持續(xù)存在的應(yīng)用中（例如，在大型電動(dòng)機(jī)附近或在電氣室內(nèi)），不能可靠地使用磁力計(jì)。

但是，在那些應(yīng)用程序之外，異?？赡苁菚簳r(shí)的。沒(méi)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(dòng)傳感器在其中確定自己的位置。外部信號(hào)（如GNSS）提供“從里到外”的視圖，其中外部因素告訴移動(dòng)的物體在哪里。例如，在購(gòu)物中心內(nèi)，各種WiFi或藍(lán)牙信標(biāo)都可以對(duì)購(gòu)物者及其智能手機(jī)的位置進(jìn)行三角測(cè)量。智能手機(jī)中的IMU和信標(biāo)信號(hào)一起可以提供足夠精確的定位，以在商店內(nèi)定位購(gòu)物者。

當(dāng)然，這種方法也可以在道路上使用?？梢蚤_(kāi)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(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言，至關(guān)重要的一點(diǎn)是，偏離路線(xiàn)的余地很小。如果您在高速公路上開(kāi)車(chē)，您可能無(wú)法承受超過(guò)10或20厘米的漂移，否則有可能撞到相鄰的汽車(chē)。

這是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）尤為重要的地方。這種系統(tǒng)為車(chē)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(hào)組合在一起，以識(shí)別預(yù)期和意外的項(xiàng)目，從而提供了一個(gè)巨大的傳感器融合解決方案。

博世團(tuán)隊(duì)表示：“無(wú)人駕駛汽車(chē)始終必須獲得環(huán)境認(rèn)可?！?“ IMU絕不能單獨(dú)使用，而必須始終是一個(gè)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?！?/p>

但是，對(duì)于可能無(wú)法停留在涂有油漆良好線(xiàn)條的城市道路上的“隨處可見(jiàn)”車(chē)輛，它們可能不夠用。在如此遙遠(yuǎn)的地區(qū)，自動(dòng)駕駛?cè)允遣荒芙鉀Q的問(wèn)題（尤其是在沒(méi)有蜂窩通信的情況下）。菲茨杰拉德說(shuō)：“要讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)在沒(méi)有這些車(chē)道標(biāo)志或交通信號(hào)燈或停車(chē)牌識(shí)別的地形上行駛，將是非常困難的?！?/p>

“我們需要將ADAS車(chē)輛（具有越來(lái)越高的自治性）和機(jī)器人汽車(chē)（或Robotaxis）分開(kāi)，它們已經(jīng)完全自主，但是在地理上受到限制?！?“由于機(jī)械人的業(yè)務(wù)模型（移動(dòng)即服務(wù)）不同，目前暫時(shí)沒(méi)有成本約束。但是他們對(duì)性能有很高的要求。”

對(duì)于配備ADAS的汽車(chē)，購(gòu)買(mǎi)價(jià)格是主要的經(jīng)濟(jì)考慮因素。因此，根據(jù)車(chē)的成本控制，IMU的價(jià)格必須低于100美元，這樣在60 km ／ hr的速度下，它們?cè)?0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(jià)格－每行駛1公里僅漂移幾厘米的系統(tǒng)，其價(jià)格就高達(dá)10，000美元。

需要導(dǎo)航的低成本車(chē)輛可能仍然認(rèn)為高質(zhì)量MEMS IMU過(guò)于昂貴。對(duì)于那些想要將這類(lèi)陀螺儀用于無(wú)人機(jī)，機(jī)器人和不支持300美元價(jià)格的產(chǎn)品的人們來(lái)說(shuō)，它開(kāi)始崩潰。他們可以花30美元購(gòu)買(mǎi)MEMS陀螺儀，但300美元太高了?！?/p>

對(duì)于所有的融合傳感器，甚至可能有人會(huì)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(jī)，激光雷達(dá)等）的組合所取得的進(jìn)展提出了慣性系統(tǒng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是否有用的問(wèn)題。在某些時(shí)候，所有其他傳感器都可以在沒(méi)有此類(lèi)傳感器的情況下校準(zhǔn)汽車(chē)的位置。

結(jié)論

尚不清楚MEMS陀螺儀將進(jìn)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(lèi)汽車(chē)中設(shè)計(jì)了大量傳感器融合技術(shù)，因此他們沒(méi)有很大的壓力去改進(jìn)最明顯的應(yīng)用，即汽車(chē)。

如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運(yùn)營(yíng)等級(jí)，那么它們可能會(huì)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(bào)率不確定。巨大的改進(jìn)將需要苛刻的新應(yīng)用程序。

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