車輛自主定位技術(shù)

對(duì)于未來(lái)的車輛來(lái)說(shuō)，確定自身在車道內(nèi)的位置是基礎(chǔ)。因此定位和地圖構(gòu)建，成為了一個(gè)基礎(chǔ)而重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于自動(dòng)駕駛的核心控制系統(tǒng)而言，需要利用感知傳感器觀察環(huán)境，同時(shí)根據(jù)感知信號(hào)對(duì)環(huán)境的地圖構(gòu)建和自身進(jìn)行定位。而面向自動(dòng)駕駛的精確控制，定位技術(shù)需要的是厘米級(jí)定位，確切地知道車輛的位置。根據(jù)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的不同，大致可以分為：

基于地標(biāo)：根據(jù)視覺(jué)或者激光雷達(dá)的定位，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征匹配，確定車輛本體的位置和環(huán)境。

基于信號(hào)定位：采用外界的位置信號(hào)，如衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和5G;

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)：在了解車輛的位置后，計(jì)算車輛的當(dāng)前位置和方向。航位推算的本質(zhì)是在初始位置上累加位移矢量計(jì)算當(dāng)前位置，它是一個(gè)信息累加的過(guò)程。

圖1 融合定位技術(shù)

在當(dāng)前的使用的三種定位技術(shù)中，通過(guò)組合使用效果，比較典型的為 1）基于差分GPS 和慣性傳感器融合；

2）基于LiDAR 點(diǎn)云與高精地圖的匹配；

3）基于視覺(jué)的道路特征識(shí)別。其中第一種基于差分GPS+慣性導(dǎo)航的融合，是最為常規(guī)的定位方法，用在車輛導(dǎo)航里面。單憑 GPS，在無(wú)法接收GPS數(shù)據(jù)或者接收狀態(tài)惡劣的條件下，就無(wú)法判別車輛的確切位置，而且需要考慮其可靠性。慣性傳感器是檢測(cè)加速度與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高頻（1KHz）傳感器，對(duì)慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后我們可以實(shí)時(shí)得出車輛的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)信息。6自由度對(duì)應(yīng)的慣性測(cè)量單元是不受氣象條件、附近其他車輛、車速等影響。在這個(gè)里面，通過(guò)慣導(dǎo)進(jìn)行朝向修正，可以在車輛低速行進(jìn)時(shí)提供準(zhǔn)確的朝向信息。如下圖所示

圖2 村田SCC2000系列陀螺儀和加速度計(jì)組合傳感器

在技術(shù)發(fā)展中，傳感器被封裝成芯片解決方案，以村田的SCC2000為例，可在ECU內(nèi)實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的解決方案。具有穩(wěn)定的偏置特性、低噪音、高耐振動(dòng)性和寬溫度（-40-125度），在高精度、高可靠性的自動(dòng)駕駛高精度定位應(yīng)用中，如果要實(shí)現(xiàn)高可靠性和性能，此類芯片是不可或缺的。

使用慣導(dǎo)、輪速和GPS信號(hào)是可以進(jìn)行組合的。而通過(guò)使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù)，我們可以融合GPS與慣性傳感器數(shù)據(jù)，各取所長(zhǎng)，以達(dá)到較好的定位效果。

圖3 GNSS在低速情況時(shí)的挑戰(zhàn)

1）在自動(dòng)駕駛中，則考慮的定位方式是GPS+IMU＋高精度地圖＋激光雷達(dá)信息融合的定位方法。利用車輛之前介紹的GPS結(jié)合IMU做出大概位置判斷后，使用高精度地圖與激光雷達(dá)SLAM云點(diǎn)圖像與之對(duì)比，在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)做配準(zhǔn)，通過(guò)配對(duì)后確認(rèn)自車位置，這是目前最成熟，準(zhǔn)確度最高的方法。

圖 4 激光雷達(dá)和慣導(dǎo)整合

2）在不用激光雷達(dá)的時(shí)候，也可以采用GPS+IMU＋視覺(jué)定位的方法，由于攝像頭信息依賴于本身的特性，所以也需要使用管道來(lái)輔助攝像頭姿勢(shì)識(shí)別，結(jié)合慣性傳感器和GPS/視覺(jué)傳感器可以為行駛在道路上的汽車精確定位。

備注：視覺(jué)坐標(biāo)系與慣導(dǎo)坐標(biāo)系的融合系統(tǒng)，兩個(gè)數(shù)據(jù)通常是不同步的（耦合方式的不同，是考慮是否把視覺(jué)和慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)融合在一個(gè)優(yōu)化的濾波器內(nèi)）。在系統(tǒng)中選用不同的視覺(jué)傳感器，單目一般采取緊耦合，而雙目則采用松耦合。單目攝像頭借助IMU 來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)尺度的估計(jì)。雙目立體視覺(jué)可通過(guò)左右圖像匹配來(lái)恢復(fù)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖5 視覺(jué)和慣導(dǎo)的整合

小結(jié)：目前在自動(dòng)駕駛里面，慣導(dǎo)的使用是基本的一環(huán)。感知技術(shù)和定位技術(shù)相輔相成，在邊界條件下，提供定位的準(zhǔn)確性、可靠性，提高算法的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是技術(shù)發(fā)展完善的必然要求，我們未來(lái)會(huì)看到越來(lái)越完善的方案。