解析IMU在自動駕駛中的作用

進(jìn)入2018年，自動駕駛行業(yè)里大家都開始關(guān)注商業(yè)化落地問題。包括自動駕駛在內(nèi)的任何新技術(shù)得到應(yīng)用必須滿足兩個條件：（1）具備能創(chuàng)造價值的商業(yè)模式；（2）技術(shù)足夠成熟。

評價自動駕駛汽車的技術(shù)指標(biāo)很多，目前最受關(guān)注的主要是安全性、成本和運(yùn)營范圍（也就是L1-L5的等級劃分中的ODD）。這三個指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，例如，運(yùn)營范圍越小，應(yīng)用場景越簡單，成本越低，同時安全性越高，反之亦然。因此競爭焦點(diǎn)在于，誰能在更大的運(yùn)營范圍內(nèi)提供更安全和更低成本的解決方案，或提供支持這種方案的核心器件。

可以通過基礎(chǔ)設(shè)施改造和SLAM技術(shù)解決；在室內(nèi)，UWB定位可以達(dá)到厘米級精度。然而，如果要設(shè)計(jì)一個可以在更大范圍內(nèi)自動駕駛的汽車，高精定位就成為一個挑戰(zhàn)。從目前的情況看，園區(qū)或室內(nèi)的自動駕駛技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，而開放道路，尤其是城市環(huán)境下的全自動駕駛技術(shù)仍然處于研發(fā)和測試階段。這里面固然有感知層面的問題，目前的傳感器對開放道路上的行人、動物等目標(biāo)的檢測能力仍然有待提高，但另一個容易被忽視的問題是定位的難度。在一個不大的固定區(qū)域內(nèi)，定位問題

對于一輛自動駕駛汽車來說，高精定位有兩層含義：

（1）得到自車與周圍環(huán)境之間的相對位置，即相對定位；（2）得到自車的精確經(jīng)緯度，即絕對定位。

看到這里，很多人的第一反應(yīng)是，人自己開車的時候，從來不知道自己的經(jīng)緯度，為什么自動駕駛汽車一定要做絕對定位呢？其本質(zhì)原因還是在于環(huán)境感知能力的差異。人類可以僅憑雙眼（和一些記憶、知識）就能精確地得出周圍的可行駛區(qū)域、道路邊界、車道線、障礙物、交通規(guī)則等關(guān)鍵信息，并據(jù)此控制汽車安全地行駛。然而目前人類所設(shè)計(jì)的傳感器和后處理算法還無法達(dá)到同樣的性能。

因此，自動駕駛汽車對于周邊環(huán)境的理解需要高精地圖、聯(lián)合感知等技術(shù)的輔助。高精地圖可以把由測繪車提前采錄好的、用經(jīng)緯度描述的道路信息告訴車輛，而所有的車輛也可以把實(shí)時感知得到的、用經(jīng)緯度描述的動態(tài)障礙物的信息廣播給周圍的車輛，這兩個技術(shù)疊加在一塊，就可以大大提高自動駕駛汽車的安全性，從而拓展它們的運(yùn)營范圍。之所以使用經(jīng)緯度來描述這些信息，是因?yàn)椴煌能囕v，包括采集高精地圖的測繪車在內(nèi)，必須使用同一個觀測坐標(biāo)系才能共享觀測的信息，而目前世界上最通用的觀測坐標(biāo)系就是由經(jīng)緯度定義的坐標(biāo)系，對絕對定位的需求就來自這里。

眾所周知，GPS可以為車輛提供精度為米級的絕對定位，差分GPS或RTK GPS可以為車輛提供精度為厘米級的絕對定位，然而并非所有的路段在所有時間都可以得到良好的GPS信號。因此，在自動駕駛領(lǐng)域，RTK GPS的輸出一般都要與IMU，汽車自身的傳感器（如輪速計(jì)、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等）進(jìn)行融合。其中，IMU的全稱是inertial measurement unit，即慣性測量單元，通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成，通過對加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測量得出自體的運(yùn)動軌跡。我們把傳統(tǒng)的IMU 和與車身、GPS等信息融合的算法組合在一起的系統(tǒng)稱為廣義的、針對自動駕駛的IMU。

圖 IMU在自動駕駛汽車內(nèi)的一種安裝方式

嚴(yán)格來講，IMU只提供相對定位信息，即自體從某時刻開始相對于某個起始位置的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)。然而，將IMU的相對定位與RTK GPS的絕對定位進(jìn)行融合后，就產(chǎn)生了兩個無可替代的優(yōu)點(diǎn)：

（1）IMU可以驗(yàn)證RTK GPS結(jié)果的自洽性，并對無法自洽的絕對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和修正；一個簡單的例子是，如果RTK GPS輸出汽車的絕對位置在短時間內(nèi)發(fā)生了很大的變化，這意味著汽車有很大的加速度，而此時IMU發(fā)現(xiàn)汽車并不具備這樣的加速度，就表明RTK GPS的定位出了問題，應(yīng)該由IMU來接管絕對定位系統(tǒng)；

（2）IMU可以在RTK GPS信號消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級定位精度，為自動駕駛汽車爭取寶貴的異常處理的時間。同樣的道理，IMU也可以在相對定位失效時，對相對定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時間內(nèi)保持相對定位的精度；例如，在車道線識別模塊失效時，基于失效前感知到的道路信息和IMU對汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

圖 IMU在絕對定位中的作用

在該圖中，自動駕駛汽車駛?cè)敫邩橇至⒌膮^(qū)域，失去了衛(wèi)星信號，無法由GPS提供絕對定位，此時，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)絕對定位的作用，在沒有GPS信號的區(qū)域?yàn)槠囂峁┙^對定位信息，這些信息包括汽車的實(shí)時經(jīng)緯度和海拔高度。

圖 IMU在相對定位中的作用

在該圖中，自動駕駛汽車通過車道線識別功能確保自身在道路中行駛。在遇到強(qiáng)烈太陽光照射的情況下，車道線識別功能失效。此時，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)相對定位的作用，根據(jù)歷史記錄中的道路曲率與汽車相對于車道邊界的歷史位置，確保汽車在一段時間內(nèi)繼續(xù)行駛在車道中。

目前，大家對于自動駕駛系統(tǒng)在部分功能單元失效情況下的行為討論的不多，但一個基本的共識是，功能單元緩慢失效比突然失效更安全，有預(yù)警的失效比無意識的失效更安全。IMU與其它相對或絕對定位系統(tǒng)結(jié)合使用后，使得定位系統(tǒng)即便失效，也是一個緩慢的、可預(yù)警的過程。

這里舉一個具體的例子來說明功能單元緩慢而有預(yù)警地失效的重要性。假如一輛自動駕駛汽車在有車道線的路上行駛，它對道路邊界的判定由高精地圖和車道線識別系統(tǒng)通過融合得到，其中高精地圖必須配合高精定位才能使用（我們暫時不考慮帶有道路指紋的高精地圖）。這時汽車進(jìn)入了高樓林立的區(qū)域，GPS失去了信號，由IMU接管絕對定位，同時提供相對于此時此地的相對定位；而車道線識別系統(tǒng)有1%的概率完全找不到任何車道線和道路邊界。那么，在99%的正常情況下，汽車可以切換到車道保持或ACC模式進(jìn)行安全行駛，在1%的corner case里，汽車可以根據(jù)IMU的相對和絕對定位信息，配合之前感知到的車道線信息和高精地圖，安全地減速或停車，并提示人工接管駕駛，在整個過程中可以確保安全。

反過來說，如果汽車沒有IMU，在同樣的情況下，就有1%的概率無法得到自車相對于車道線和道路邊界的位置，汽車將完全成為高速奔跑的瞎子，即使急剎車也隨時有發(fā)生碰撞的危險。在實(shí)際系統(tǒng)中，高精地圖可以通過標(biāo)志、道路指紋等方式提供絕對定位，車道線識別也可以基于各種不同傳感器，這相當(dāng)于把上述1%的碰撞概率降低若干個數(shù)量級，然而這對于高速場景下的乘用車和商用車來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。無論這個概率有多低，都需要有一個技術(shù)來最后處理這個概率條件下的極端工況，也就是說需要最后一道安全防線。

為什么自動駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線是IMU，而不是其它技術(shù)呢？主要原因有三個。第一，IMU對相對和絕對位置的推演沒有任何外部依賴，是一個類似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對定位依賴于衛(wèi)星信號的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對定位依賴于感知的質(zhì)量和算法的性能，而感知的質(zhì)量與天氣有關(guān)，都有一定的不確定性。第二，同樣是由于IMU不需要任何外部信號，它可以被安裝在汽車底盤等不外露的區(qū)域，可以對抗外來的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺、激光和毫米波在提供相對或絕對定位時必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號干擾而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情況損壞。第三，IMU對角速度和加速度的測量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計(jì)和方向盤轉(zhuǎn)角等冗余信息，使其輸出結(jié)果的置信度遠(yuǎn)高于其它傳感器提供的絕對或相對定位結(jié)果。

當(dāng)然，IMU也有其局限性，主要是價格昂貴。目前市面上主流的、能夠在GPS丟失后10秒內(nèi)提供車道級定位的IMU的價格在20萬元左右且均為進(jìn)口，成為除激光雷達(dá)之外，自動駕駛汽車的另一個成本瓶頸。值得欣慰的是，國內(nèi)已經(jīng)有初創(chuàng)公司致力于研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的，針對自動駕駛專用的IMU，有望將其成本降到1萬元以下并保持精度不變。

當(dāng)自動駕駛時代來臨，高精地圖及高精定位將會成為高級別智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要配置，高精度IMU也將會成長為一個百億級的市場。

在自動駕駛紛繁復(fù)雜無法窮舉的工況中，IMU以其超高的置信度、完全無需外部依賴的特性，以及強(qiáng)大的抗干擾能力，像一顆定海神針，為自動駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。