作者 | Aimee.彭祥旭
出品 | 焉知
在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對于高精地圖定位而言需要采用GNSS/GPS來進(jìn)行車輛位置定位。而GNSS/GPS對于自動(dòng)駕駛定位精度要求來說存在如下差異或局限性：
1）GNSS/GPS需要持續(xù)的外部衛(wèi)星信息才能定位，一般情況下，GPS相對于1-3米之間的定位精確度不足，而受到建筑物、高架、隧道、樹葉的遮擋定位信息卻更會出現(xiàn)中斷或削弱；
2）GNSS/GPS定位的頻率相對較低，測量采樣頻率又強(qiáng)受限于傳感器輸出頻率，故此GPS定位精度遠(yuǎn)達(dá)不到對自動(dòng)駕駛的需求；
一般的，定位誤差對于自動(dòng)駕駛檢測性能來講在如下場景上問題顯現(xiàn)的尤為嚴(yán)重：
HWP的自動(dòng)換道過程要求車輛對自車道及相鄰車道具備較高的定位精度，因?yàn)檐囕v定位錯(cuò)誤可能導(dǎo)致車輛進(jìn)入禁止換道車道，也可導(dǎo)致?lián)Q道超調(diào)換入第三車道。
當(dāng)?shù)缆钒l(fā)生交通擁堵時(shí)，定位誤差可能導(dǎo)致前后車輛距離較近，參照當(dāng)前跟隨控制算法時(shí)，可能導(dǎo)致前后輛車發(fā)生追尾、剮蹭等事故。
當(dāng)自動(dòng)駕駛功能出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可能規(guī)劃自車軌跡到應(yīng)急車道或在本車道進(jìn)行安全停車。如定位出現(xiàn)較大誤差時(shí)，可能直接反方向停止到超車道上。
車輛實(shí)時(shí)定位不準(zhǔn)確時(shí)，高精地圖發(fā)出的ODD和EHP信息將產(chǎn)生偏差，影響車輛控制決策，危及車輛安全。
如上所述，如果僅采用傳統(tǒng)高精度定位的方式，我們無法完全信任其檢測結(jié)果。這是就需要找到另一種方法來更加準(zhǔn)確地確定車輛在地圖中的位置。
最常用的方法
是比較車輛傳感器端輸出內(nèi)容與原始地圖信號所顯示的內(nèi)容，自動(dòng)駕駛中常用的定位測量方法是測量車輛傳感器與道路邊緣靜態(tài)障礙物（如樹木、電線桿、路標(biāo)或建筑物等）。其過程是將傳感器的測量值與地圖測量的道路邊緣靜態(tài)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比匹配，由匹配結(jié)果確定實(shí)際車輛位置定位信息，為了進(jìn)行該對比，必須能夠在傳感器自身坐標(biāo)系和地圖坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。同時(shí)，必須在地圖上以
十厘米
的精度確定車輛的精確位置。
這里我們可以通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量儀RTK(Real Time Kinematic)來提高定位精度。他是基于載波相位觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的，他能夠?qū)崟r(shí)的提供測站點(diǎn)在制定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，且可達(dá)到厘米級精度。在RTK工作模式下，基站可以通過數(shù)據(jù)鏈將觀測值和觀測站的坐標(biāo)信息一起傳送至流動(dòng)站。流動(dòng)站負(fù)責(zé)同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)和來自GPS的觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。RTK對測量精確性的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在需要在地面上建立數(shù)個(gè)基站，且每個(gè)基站的準(zhǔn)確位置是已知的。每個(gè)基站在接收GPS測量位置信息后與自身已知的地面位置信息偏差進(jìn)行比對，從而將比對誤差作為矯正基準(zhǔn)傳遞給其他GPS接收器，從而矯正其位置定位結(jié)果。
在RTK對定位精度的輔助增強(qiáng)下，比純粹采用GPS定位所造成的誤差會有較大程度的提升，但是這種方式仍然會存在前述中障礙物遮擋和更新頻率問題。
組合慣導(dǎo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖
為了進(jìn)一步提高定位精度，目前較為先進(jìn)且實(shí)用的辦法是采用組合慣導(dǎo)定位模式，即GNSS+INS的方式進(jìn)行。我們知道利用單純的慣性導(dǎo)航體系完成的定位，由于缺少絕對定位功能，隨著時(shí)間增加，累積的誤差將會越來越大，而GPS接收機(jī)一旦得到足夠多個(gè)定位的衛(wèi)星測量值，可以保證相應(yīng)的精度。
大多數(shù)情況下，基于組合慣導(dǎo)的定位系統(tǒng)主要分為如下幾種。即松性組合和緊性組合，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)如下圖。
在如上圖的松性組合中，GPS與慣導(dǎo)都需要各自進(jìn)行車輛速度與位置的定位計(jì)算，計(jì)算后的值進(jìn)行做差，其差值數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波后生成傳感器偏差矯正值。該矯正值最后輸入慣導(dǎo)傳感器，然后通過INS定位DR算法后更新車輛位置和速度，最后與之前的卡爾曼濾波輸出矯正量相減生成最優(yōu)估計(jì)值。
在慣導(dǎo)與GPS的緊性組合中，GPS接收機(jī)接收偽距及多普勒頻移實(shí)際測量值與其預(yù)測值做差后輸入卡爾曼濾波器進(jìn)行偏差矯正，矯正后的值參照之前松性組合中的算法結(jié)構(gòu)最終進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。
如上無論是緊性組合還是松性組合，其輸出對于輸入的反饋調(diào)節(jié)僅僅體現(xiàn)在其中一端（GPS接收器）對另一端（INS）檢測誤差單獨(dú)進(jìn)行的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而GPS本身是否存在檢測誤差或誤差累計(jì)是沒有進(jìn)行實(shí)時(shí)修正的。因此，結(jié)合上述兩種組合缺陷，設(shè)計(jì)一種混合式誤差矯正方案是一種比較典型且常用的方法，即慣導(dǎo)INS和GPS的調(diào)節(jié)均考慮傳感器的偏差矯正對于輸入的影響，將INS進(jìn)行偏差矯正的數(shù)據(jù)輸入GPS測量預(yù)測模塊，然后與通過卡爾曼濾波生成的GPS矯正數(shù)據(jù)同時(shí)作用于GPS接收機(jī)，該輸入結(jié)果可以對GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差調(diào)。這一過程致使最后的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果相較于只進(jìn)行一種誤差矯正更加精確。
自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)中的定位組合設(shè)計(jì)
自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往不是單一的定位組合過程，一般情況下都是通過將各種不同的定位源進(jìn)行優(yōu)勢組合，以便使得定位達(dá)到最優(yōu)。
近年來，以GPS+IMU的多傳感器融合方案越來越受到重視，因?yàn)椤盁o源定位”的IMU恰好可以彌補(bǔ)GPS的短板。
此外，車機(jī)還可以搭載里程計(jì)、視覺設(shè)備形成更豐富的多傳感器融合方案。
如下表示了詳細(xì)的定位架構(gòu)分析圖，從圖中可看出，一般的定位源包括了傳統(tǒng)的GPS輸入的高精定位HPP、輪速傳感器、RTK、IMU以及以傳感器作為先導(dǎo)的攝像頭數(shù)據(jù)傳輸方式。
基于如上分析，為了保證在自動(dòng)駕駛中具備較好的定位精度和強(qiáng)大的魯棒性。要求定位模型具備完備的融合定位算法，具備高性能IMU，最后，如果條件允許盡可能的采用雙頻RTK進(jìn)行GPS定位增強(qiáng)。這里我們重點(diǎn)分析IMU相關(guān)的定位算法及條件。
其中，IMU中最重要的是其DR(DeadReckoning)航跡推算算法。DR算法是指已知上一時(shí)刻導(dǎo)航狀態(tài)（狀態(tài)、速度和位置），根據(jù)傳感器觀測值推算到下一時(shí)刻的導(dǎo)航狀態(tài)。DR算法包括姿態(tài)編排和位置編排兩個(gè)部分。姿態(tài)編排使用的是AHRS（Attitude andheading reference system ）融合算法，處理后輸出車機(jī)姿態(tài)信息。
DR航位推算精度與DR算法性能有關(guān)，尤其是里程計(jì)系統(tǒng)誤差和陀螺零偏的標(biāo)定精度，其中定位誤差中的50%來自零點(diǎn)漂移，50%來自陀螺標(biāo)度誤差。最終可以分解出陀螺零偏變化與零點(diǎn)漂移漂導(dǎo)致的橫向誤差的關(guān)系可以用速度表示出來：，由此可以根據(jù)定位誤差可以得到針對IMU的性能指標(biāo)要求為零點(diǎn)漂移最大值為10°/h。
此外，由于DR算法精度主要取決于IMU（陀螺儀和加速度計(jì)）和測速儀的誤差，陀螺儀誤差將引起位置誤差隨時(shí)間的二次方增長，測速儀誤差將引起位置誤差隨時(shí)間線性增長。為改善無GPS信號環(huán)境的定位精度，必須進(jìn)行器件誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償模塊的主要功能是利用GPS數(shù)據(jù)來補(bǔ)償速度敏感器誤差參數(shù)（比例因子）和IMU的誤差參數(shù)（陀螺儀天向比例因子和陀螺儀三軸零偏）。補(bǔ)償?shù)哪康氖窃跓oGPS信號或弱GPS信號的場景，僅靠DR算法也能得到較為可靠的導(dǎo)航信息。因此，我們在IMU器件選擇初期就需要充分考慮如上相應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)的性能指標(biāo)。具體來說針對IMU的性能指標(biāo)可以以如下表進(jìn)行細(xì)化。
為了了解自動(dòng)駕駛定位安全條件，首先我們需要了解道路行車定位邊界，我們知道車輛定位實(shí)際是精確了解其中心點(diǎn)位置在橫縱向上的實(shí)際世界坐標(biāo)。我們實(shí)際行駛的道路都是非直線型的，這里我們假設(shè)在某一段時(shí)間內(nèi)，車輛行駛在以一定中心點(diǎn)為圓心點(diǎn)，一定半徑下的車道內(nèi)，同時(shí)考慮車輛在橫向和縱向上的誤差容限，對汽車劃定一定的矩形框架區(qū)域。此時(shí)相應(yīng)的車輛行駛結(jié)構(gòu)圖如下表示：
由如上圖所示的行駛模型圖，道路行車幾何關(guān)系圖如下：
通過關(guān)系變換可以得出以下x，y之間的關(guān)系：
這里的x和y表示的是針對當(dāng)前車輛實(shí)際定位值下的定位誤差矩形框，x包含兩倍橫向定位誤差值，y表示包含兩倍縱向定位誤差值。在我們設(shè)置定位誤差矯正中只要將如上兩個(gè)值限定在一定范圍內(nèi)，即可保證定位精度。
那么我們?nèi)绾味x自動(dòng)駕駛下需求的定位精度呢，這里可以參照當(dāng)定位失效后，系統(tǒng)所能控制車輛進(jìn)行安全停車，且自車不偏出車道時(shí)的最大偏差作為臨界條件進(jìn)行判定。我們假設(shè)當(dāng)前自動(dòng)駕駛時(shí)速為120km/h，當(dāng)RTK突然失鎖且道路車道線不清晰情況下，假設(shè)此時(shí)搭載的IMU可以對行駛狀態(tài)下的車輛產(chǎn)生300m的航跡推算，那么整個(gè)高速行駛的時(shí)間大概為9s。那么要求在此期間系統(tǒng)仍舊具備較為準(zhǔn)確地自主定位能力，即在FTTI內(nèi)（~50ms）迅速準(zhǔn)確地對RTK飛點(diǎn)、車道線識別錯(cuò)誤等異常情況做出判斷。這一過程可以為系統(tǒng)判定危險(xiǎn)狀態(tài)并發(fā)出接管請求，提醒駕駛員進(jìn)行車輛接管提供充分的過渡時(shí)間，同時(shí)系統(tǒng)控制車輛安全停車。
為了保證車輛在安全接管請求期間不偏出車道，這里要求300m航位推算的橫向誤差保持在一定閾值范圍內(nèi)。一般IMU所需求的定位參數(shù)為1σ指標(biāo)，一般誤差服從正態(tài)分布，3σ結(jié)果可以認(rèn)為是1σ的3倍。假設(shè)汽車行駛在水平路面上，暫時(shí)忽略x，y軸角速度在水平面上的投影。即當(dāng)自車定位錯(cuò)誤并以最大橫向偏差Dmax進(jìn)行對中行駛時(shí)，假設(shè)旁車道車輛也行駛于車道線邊緣，此時(shí)，自車以偏離中心線一定距離進(jìn)行對中行駛，此時(shí)自車左側(cè)實(shí)際橫向位移為Dmax+0.5倍車寬。假設(shè)此時(shí)車寬為2m，則實(shí)際橫向位移為1.8m。假設(shè)道路為標(biāo)準(zhǔn)車道寬度3.75m，那么一半的車寬為1.85m左右，那么此時(shí)自車將與側(cè)方旁車道車輛有極大的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。從車輛自身寬度及車道寬度兩個(gè)方面考慮，為了防止定位誤差導(dǎo)致自車與旁車道車輛相撞，一般要求高速路上通過IMU進(jìn)行航跡推算的3σ定位誤差不能大于0.8m。
基于如上分析，當(dāng)RTK失鎖，GPS定位將不可用，由于攝像頭檢測車道線不可用時(shí)，系統(tǒng)將只能通過IMU進(jìn)行航跡推算。此時(shí)，為了保持車輛有足夠的反應(yīng)接管時(shí)間，要求整個(gè)階段至少在行駛的300m內(nèi)仍舊具有橫向定位誤差容限0.8m，縱向定位誤差容限3m。參照3sigma標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)過程的推算置信度仍舊能夠達(dá)到99.7%。
自動(dòng)駕駛在城市道路、隧道或公路峽谷等一直存在車機(jī)端定位的痛點(diǎn)。原因是這些極限的環(huán)境使車輛無法接收到GPS信號或相關(guān)傳感器信號受干擾，導(dǎo)致GPS無定位結(jié)果或定位精度差。這是“有源定位”固有的缺點(diǎn)，無法從算法上來克服。針對這個(gè)問題，以GPS+IMU的多傳感器融合方案越來越受到重視，因?yàn)椤盁o源定位”的IMU恰好可以彌補(bǔ)GPS的短板。此外，車機(jī)還可以搭載里程計(jì)、更多傳感器設(shè)備形成更豐富的多傳感器融合方案。
對基礎(chǔ)定位而言，地圖數(shù)據(jù)是定位業(yè)務(wù)的靈魂
。多傳感器融合只是定位業(yè)務(wù)中的一部分，如何把多傳感器與地圖數(shù)據(jù)結(jié)合起來，如使用GPS、IMU、里程計(jì)等傳感器，結(jié)合基礎(chǔ)地圖優(yōu)勢，可以真正的實(shí)現(xiàn)高性能的定位融合效果，這也是今后自動(dòng)駕駛所追求的主流方向。
