慣性導(dǎo)航為何如此重要?
“ 我認(rèn)為，慣性導(dǎo)航(IMU)或者說(shuō)MEMS技術(shù)，是我們定位安全的最后一道屏障。”ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線(xiàn)總監(jiān)趙延輝于12月12日在深圳舉行的ADI中國(guó)25周年媒體技術(shù)日上說(shuō)到。
IMU全稱(chēng) Inertial Measurement Unit，即慣性測(cè)量單元，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。一般由三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺儀組成，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺儀檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，結(jié)合高精度地圖，即可解算出載體的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)。
相對(duì)于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭以及GNSS來(lái)說(shuō)，IMU能夠完全不受外界環(huán)境的影響地為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供連續(xù)的、高精度、高可靠的車(chē)輛位置、方向、速度、里程(車(chē)載里程計(jì)會(huì)受到路面打滑等情況的影響)、時(shí)間等維度的信息，保障車(chē)輛的安全行駛。
另外，值得一提的是，IMU還能夠提供相比衛(wèi)星導(dǎo)航、攝像頭更快的信號(hào)更新速度。比如，衛(wèi)星導(dǎo)航一般是一秒鐘更新一次位置信息，現(xiàn)在最快的也只能做到一秒鐘更新幾十次，即便是在一些高端應(yīng)用上，最多也只能達(dá)到秒幾百次更新的級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到連續(xù)導(dǎo)航的水平(連續(xù)導(dǎo)航至少要達(dá)到幾毫秒就更新一次的級(jí)別)，特別是在車(chē)速較快時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航和攝像頭識(shí)別就會(huì)有滯后的問(wèn)題。而IMU則完全沒(méi)有這些問(wèn)題，其能夠輕松做到幾毫秒級(jí)的連續(xù)定位。
當(dāng)然，IMU也有著一些問(wèn)題，比如在毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、GNSS衛(wèi)星定位都失效的情況下，如果IMU的精度本身就不高，那么單獨(dú)依靠IMU的時(shí)間越長(zhǎng)，偏移就會(huì)越大。
另外，IMU對(duì)溫度的敏感度很高，外界溫度的變化會(huì)對(duì)器件的靈敏度產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生一定的隨機(jī)漂移，因此，IMU通常都需要提出適當(dāng)?shù)恼`差模型和溫度補(bǔ)償方法，以此來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。
趙延輝表示：“大家在做傳感器融合的時(shí)候，并不是說(shuō)你選擇的傳感器越多越好，也不管是什么樣的傳感器，什么樣的性能，如果選擇不當(dāng)，可能就是拿來(lái)的都是一些無(wú)用的數(shù)據(jù)，那么自然會(huì)導(dǎo)致無(wú)用的判斷。我們ADI的IMU主要就是實(shí)現(xiàn)在各種極端環(huán)境下，依然給你準(zhǔn)確的輸出，這個(gè)極端的環(huán)境包括各種高低溫的變化，包括各種顛簸的路面都可以做得到。”
雖然，目前在高精度定位導(dǎo)航領(lǐng)域，除了MEMS慣性導(dǎo)航之外，也還有采用光纖組件和激光組件的方案，但是相比之下，MEMS慣性導(dǎo)航具有體積更小、價(jià)格更低、測(cè)量范圍更大、使用更方便的優(yōu)點(diǎn)。
“基于光纖的導(dǎo)航系統(tǒng)，便宜的可能都要十萬(wàn)塊，乘用車(chē)是很難采用的。另外，光纖的方案非常不耐碰，靜態(tài)精度很高，但是動(dòng)態(tài)精度就很低。我個(gè)人認(rèn)為，未來(lái)MEMS替代光纖一定是一個(gè)大勢(shì)所趨。因?yàn)镸EMS的穩(wěn)定性，特別是長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，我們已經(jīng)可以做到1度以?xún)?nèi)，中低端的光纖也就是這個(gè)水平。而MEMS方案還具有體積小、功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)。”趙延輝進(jìn)一步解釋到。
目前ADI擁有很多高性能的IMU產(chǎn)品。趙延輝告訴芯智訊：“之前我們IMU就有用到一些航空航天應(yīng)用上，有航空航天的認(rèn)證。”其實(shí)目前相當(dāng)一部分自動(dòng)駕駛的應(yīng)用，實(shí)際上是把更高端的、更高級(jí)的一些行業(yè)的需求適當(dāng)?shù)慕档秃笱苌舍槍?duì)自動(dòng)駕駛的IMU。
ADIS1650X系列IMU
而在工業(yè)領(lǐng)域，ADI的IMU應(yīng)用已經(jīng)是非常的廣泛。自從2007年ADI推出了首款I(lǐng)MU產(chǎn)品以來(lái)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，ADI的IMU產(chǎn)品在性能持續(xù)提升的同時(shí)，尺寸也是越來(lái)越小。現(xiàn)在，ADI還推出了芯片級(jí)的IMU，比如今年11月正式發(fā)布的ADIS1650X系列。
ADI全新推出的ADIS1650X系列IMU，相比上一代產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其在保持高性能的同時(shí)，在尺寸上進(jìn)一步縮小了40%，并且達(dá)到了工業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，該系列也是經(jīng)過(guò)了全溫測(cè)試補(bǔ)償，可以提供高精度的定位，同時(shí)，成本和體積都有了很大的優(yōu)化。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，ADIS1650X系列IMU和過(guò)去大的模塊級(jí)IMU并沒(méi)有什么區(qū)別，里面有傳感器、信號(hào)處理，有各種各樣的溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)。雖然體積較小，但依然內(nèi)部采用的是差分結(jié)構(gòu)，做到了非常好的振動(dòng)抑制特性，可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)以及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。
趙延輝表示，ADIS1650X系列IMU與友商的高精度產(chǎn)品相比，擁有5倍的動(dòng)態(tài)范圍，可以適應(yīng)極端情況;2倍的帶寬，可以捕捉急速的變化;10倍以上的振動(dòng)抑制特性改良;10倍以上的低噪聲加速度傳感器改良。
這里特別需要指出的是，在IMU系統(tǒng)中，振動(dòng)抑制特性非常的重要。通常來(lái)說(shuō)，IMU可以檢測(cè)出汽車(chē)/飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、航向偏離了多少、俯仰角偏了多少、行駛的速度和距離等數(shù)據(jù)。但是，對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，很難分辨出傳感器輸出的數(shù)據(jù)是由載體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的還是由于載體自身振動(dòng)引起的，也就是說(shuō)只要有振動(dòng)存在就會(huì)有誤差引入。而振動(dòng)抑制特性，就是減少振動(dòng)對(duì)于傳感器的精度的影響。
“雖然消費(fèi)級(jí)的無(wú)人機(jī)較少采用ADI的IMU，這主要是出于成本和體積考慮，但是目前99%以上的行業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)，都采用的是ADI的IMU。為什么他們不去用便宜的IMU?因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品的振動(dòng)抑制特性非常好。如果這個(gè)指標(biāo)不好的話(huà)，無(wú)人機(jī)就很難懸停住，會(huì)朝著一個(gè)方向偏移。這在工業(yè)領(lǐng)域里面是不能接受的。”趙延輝舉例介紹到。
小結(jié)：
除了IMU技術(shù)之外，ADI在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域所涉及的毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)技術(shù)，以及視覺(jué)ADAS領(lǐng)域也都有布局。
目前，ADI在雷達(dá)領(lǐng)域布局已有超過(guò)16年的歷史。目前在24GHz毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，近半數(shù)車(chē)載雷達(dá)模組中都有ADI的芯片。在77-79GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品上，ADI也有在有布局。2017年，ADI與瑞薩電子就宣布了在77/ 79GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)技術(shù)上展開(kāi)合作。2018年ADI還收購(gòu)了一家德國(guó)工業(yè)雷達(dá)的方案公司SymeoGmbH，可提供高效率雷達(dá)的整體解決方案，而不是器件級(jí)解決方案
在激光雷達(dá)領(lǐng)域，早在2016年，ADI就收購(gòu)了美國(guó)Vescent Photonics公司的固態(tài)激光波束轉(zhuǎn)向技術(shù)，開(kāi)始重點(diǎn)研發(fā)Flash雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)方案。
在ADAS視覺(jué)領(lǐng)域，ADI很早也布局了TOF 3D技術(shù)。ADI當(dāng)前的TOF產(chǎn)品是基于高量子效率的CCD方案@940nm光波長(zhǎng)方案，具備抗干擾性強(qiáng)(可以解決同一場(chǎng)景多機(jī)相互干擾問(wèn)題)、窄脈沖高速全局曝光噪聲干擾小、高分辨率(640x480@30fps)、低功耗、探測(cè)距離遠(yuǎn)(支持最高20m的識(shí)別距離)等特點(diǎn)。可應(yīng)用于車(chē)內(nèi)傳感(手勢(shì)識(shí)別、駕駛員健康、乘員檢測(cè)、體態(tài)識(shí)別)、車(chē)外近距離人臉識(shí)別解鎖、車(chē)外遠(yuǎn)距離的輔助避障。
據(jù)ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理李佳透露，ADI目前的CCD TOF方案是跟另一家合作伙伴合作的，后續(xù)會(huì)轉(zhuǎn)向完全由ADI主導(dǎo)，目前ADI有一款全新的TOF產(chǎn)品正在研發(fā)，將會(huì)采用CMOS TOF Sensor，它的性能和分辨率會(huì)有很大的提升、并且功耗也會(huì)進(jìn)一步的降低。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，目前ADI在自動(dòng)駕駛及ADAS領(lǐng)域已經(jīng)有了極為全面的產(chǎn)品線(xiàn)布局。
