什么是IMU传感器 IMU传感器在自动驾驶汽车的关键应用

作者 | James Fennelly

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。

这将需要内置的制导和导航技术，以确保在激光雷达、雷达或相机等车辆感知传感器出现故障时，或者在GNSS卫星信号因天气、地形或环境而间歇性中断时，车辆能够安全运行。

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用于自动驾驶的安全停车传感系统

这种关键的车辆传感技术就是惯性测量单元（IMU）传感器。由于IMU传感器基于重力和物理法则，而不是外部条件，因此即使感知传感器因天气原因出现故障，它也可以继续发送数据，以便车辆能够安全地保持航向，直到安全停车或其它导航系统重新开始工作。

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。

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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，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。

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为什么有些IMU还包括磁力计？

加速度计可以用来计算相对于地球引力的滚转和俯仰值，并校正陀螺仪的漂移。但是，它不能用于检测绝对航向（偏航），因为偏航的变化与重力矢量正交。磁力计以三维方式测量磁场强度。通过使用地球磁场，它可以帮助确定物体的航向（即偏航）以及滚动和俯仰。

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。

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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。

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。

编辑：黄飞