2017年自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)成為新的產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，大家很自然地開始關(guān)注自動(dòng)駕駛何時(shí)可以真正商業(yè)化落地。包括自動(dòng)駕駛在內(nèi)的任何新技術(shù)得到應(yīng)用必須滿足兩個(gè)條件：

(1)具備能創(chuàng)造價(jià)值的商業(yè)模式。

(2)技術(shù)足夠成熟。

對于第一點(diǎn)，業(yè)界沒有太多的懷疑，因此關(guān)注的焦點(diǎn)在于技術(shù)成熟度。

評價(jià)自動(dòng)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(jí)劃分中的ODD)。這三個(gè)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(shí)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。

從目前的情況看，園區(qū)或室內(nèi)的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)物等目標(biāo)的檢測能力仍然有待提高，但另一個(gè)容易被忽視的問題是定位的難度。在一個(gè)不大的固定區(qū)域內(nèi)，定位問題可以通過基礎(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(jí)精度。然而，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)可以在更大范圍內(nèi)自動(dòng)駕駛的汽車，高精定位就成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

對于一輛自動(dòng)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(shí)候，從來不知道自己的經(jīng)緯度，為什么自動(dòng)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(shí))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(dòng)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(shí)感知得到的、用經(jīng)緯度描述的動(dòng)態(tài)障礙物的信息廣播給周圍的車輛，這兩個(gè)技術(shù)疊加在一塊，就可以大大提高自動(dòng)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�的車輛，包括采集高精地圖的測繪車在內(nèi)，必須使用同一個(gè)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(jí)的絕對定位，差分GPS或RTK GPS可以為車輛提供精度為厘米級(jí)的絕對定位，然而并非所有的路段在所有時(shí)間都可以得到良好的GPS信號(hào)。因此，在自動(dòng)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(dòng)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(dòng)駕駛的IMU。

圖1. IMU在自動(dòng)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(shí)刻開始相對于某個(gè)起始位置的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)簡單的例子是，如果RTK GPS輸出汽車的絕對位置在短時(shí)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(shí)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(hào)消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級(jí)定位精度，為自動(dòng)駕駛汽車爭取寶貴的異常處理的時(shí)間。同樣的道理，IMU也可以在相對定位失效時(shí)，對相對定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時(shí)間內(nèi)保持相對定位的精度;例如，在車道線識(shí)別模塊失效時(shí)，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2. IMU在絕對定位中的作用

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

圖3. IMU在相對定位中的作用

在該圖中，自動(dòng)駕駛汽車通過車道線識(shí)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(shí)別功能失效。此時(shí)，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(shí)間內(nèi)繼續(xù)行駛在車道中。

目前，大家對于自動(dòng)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(gè)基本的共識(shí)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(shí)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(gè)緩慢的、可預(yù)警的過程。

這里舉一個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)不考慮帶有道路指紋的高精地圖)。這時(shí)汽車進(jìn)入了高樓林立的區(qū)域，GPS失去了信號(hào)，由IMU接管絕對定位，同時(shí)提供相對于此時(shí)此地的相對定位;而車道線識(shí)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(gè)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(shí)有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)概率有多低，都需要有一個(gè)技術(shù)來最后處理這個(gè)概率條件下的極端工況，也就是說需要最后一道安全防線。

圖4. 易成自動(dòng)駕駛公司研發(fā)的專用IMU

為什么自動(dòng)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(gè)。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(gè)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(hào)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(hào)，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(shí)必須接收來自汽車外部的電磁波或光波信號(hào)，這樣就很容易被來自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號(hào)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(jià)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(jí)定位的IMU的價(jià)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(dòng)駕駛汽車的另一個(gè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的，針對自動(dòng)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。在這個(gè)領(lǐng)域，深圳市易成自動(dòng)駕駛技術(shù)有限公司作為國內(nèi)第一家研發(fā)針對自動(dòng)駕駛專用IMU的企業(yè)，是這個(gè)領(lǐng)域的佼佼者。

近日，易成自動(dòng)駕駛與黃石市政府簽署合作協(xié)議，將在湖北黃石落地和運(yùn)營無人駕駛汽車，這也是易成自動(dòng)駕駛在商業(yè)化實(shí)現(xiàn)上的重大突破。

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

在自動(dòng)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(dòng)駕駛的定位系統(tǒng)提供最后一道安全保障。

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