自動(dòng)駕駛高精度定位系統(tǒng)方案

江鈴重型汽車有限公司 山西 太原 030032

1 高精定位的意義

1)定位的重要性。近幾年來(lái),自動(dòng)駕駛技術(shù)得到了快速發(fā)展。共享出行、綠色出行、智能出行是未來(lái)出行的重要特征,滿足公眾出行個(gè)性化服務(wù)需求[1]。自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展主要依賴于環(huán)境感知、決策與規(guī)劃、控制與執(zhí)行、高精度地圖和實(shí)時(shí)定位等技術(shù)的發(fā)展,而高精定位則是自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)。定位信息作為車輛狀態(tài)的關(guān)鍵表征,也是車路數(shù)據(jù)交互最頻繁的數(shù)據(jù)元素,其準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)交通安全通行、保障車路協(xié)同系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛技術(shù)順利實(shí)施的重中之中[2]。

2)傳感器的性能邊界。車載傳感器性能邊界指的不僅是測(cè)量范圍,還有面對(duì)不同環(huán)境時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的感知缺陷。激光傳感器檢測(cè)效果穩(wěn)定,但面對(duì)大范圍塵土?xí)r也無(wú)能為力。我司在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),一輛渣土車飛馳而過(guò)塵土飛舞,無(wú)人車發(fā)現(xiàn)“面前”全是障礙物。且攝像頭在面對(duì)惡劣天氣,也無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)周圍相關(guān)障礙信息。定位相關(guān)傳感器和設(shè)備也是同樣的道理,均存在一定的局限性。

2 高精定位的方案對(duì)比

定位技術(shù)是自動(dòng)駕駛技術(shù)中的關(guān)鍵要素,定位的精度和穩(wěn)定性直接影響自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航、決策以及高精度地圖的構(gòu)建。目前普遍使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)實(shí)現(xiàn)定位。單傳感器獲取的信息難以確保準(zhǔn)確性和可靠性。多傳感器融合與補(bǔ)償技術(shù)可以充分利用數(shù)據(jù)冗余性和互補(bǔ)性,保證環(huán)境感知的準(zhǔn)確,以提高系統(tǒng)可靠性。

1)組合慣導(dǎo)(GPS+IMU)定位技術(shù)。GPS用戶可在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候,連續(xù)的,實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速,并進(jìn)行高精度時(shí)間傳遞和精密定位。定位時(shí)會(huì)受到各種因素的影響,民用定位誤差可高達(dá)十幾米。

差分就是把上述各種GPS誤差計(jì)算出來(lái),通過(guò)在已知絕對(duì)位置的參考點(diǎn)上裝上固定基站,將其與GPS對(duì)固定基站的定位結(jié)果作比較,就可以知道定位信號(hào)的偏差。再將這個(gè)偏差發(fā)送給需要定位的移動(dòng)站,就可以使移動(dòng)站獲得相對(duì)精準(zhǔn)的位置信號(hào)。通常RTK的定位精度可到厘米級(jí)。

IMU利用測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)速度并輔助以算法,來(lái)獲得準(zhǔn)確定位。這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于更新頻率比較高,一般可達(dá)到1KHz,相當(dāng)于GPS更新頻率的100倍。但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在位移、比例以及背景白噪聲誤差,且這些誤差會(huì)不斷累積。雖GPS更新頻率較低,但給出的全局錨定在長(zhǎng)時(shí)間定位上不會(huì)出現(xiàn)誤差累積。因此組合方案很好的實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),為車輛定位提供既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r(shí)的位置更新。

2)激光SLAM定位技術(shù)。自動(dòng)駕駛定位技術(shù)中地圖是核心部分,傳統(tǒng)地圖導(dǎo)航中人類主要在2D地圖中確定自身位置并規(guī)劃路線,大部分車輛控制局部導(dǎo)航工作由手工完成。但在自動(dòng)駕駛技術(shù)框架中,要求地圖精度達(dá)厘米級(jí)以上,且要有豐富的道路標(biāo)志,傳統(tǒng)地圖不能滿足要求。SLAM即同步定位與地圖構(gòu)建,是指運(yùn)動(dòng)物體根據(jù)傳感器信息,一邊計(jì)算自身位置一邊構(gòu)建環(huán)境地圖的過(guò)程,解決車輛在未知環(huán)境下運(yùn)動(dòng)時(shí)定位與地圖構(gòu)建問(wèn)題?，F(xiàn)SLAM主要應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人駕駛、AR等領(lǐng)域。其用途包括傳感器自身定位,路徑規(guī)劃及場(chǎng)景理解等。

3 自動(dòng)駕駛重卡高精度定位方案

1)定位方案。本項(xiàng)目采用RTK GPS技術(shù)+IMU+基于激光SLAM技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)工況下的高精定位。差分GPS在天氣較好、遮擋較少的情況下能夠獲得很好的定位精度,但是在城市高樓區(qū)域、惡劣天氣情況下效果下降很多,這時(shí)候融合IMU+激光雷達(dá)(視覺(jué))的方案剛好能夠填補(bǔ)不足。因此該方案基本可以解決除惡略天氣情況下的定位問(wèn)題。

文中重卡車型配置了2個(gè)16線激光雷達(dá),1個(gè)GPS+IMU定位設(shè)備,1個(gè)定位基站,2個(gè)4G路由器,1個(gè)ADU接收各個(gè)傳感器的輸入信息,融合各傳感器的定位數(shù)據(jù)。在車頂上布置2個(gè)蘑菇天線和1個(gè)4G天線,接收相關(guān)信號(hào),激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)由交換機(jī)融合后,工控機(jī)處理相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù),由工控機(jī)輸出具體位置信息給ADU。ADU融合處理所有定位數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。

GPS和IMU將信號(hào)通過(guò)CAN總線傳輸給ADU,ADU將輸入信號(hào)進(jìn)行融合處理,判斷當(dāng)前位置信息和車輛狀態(tài)。激光雷達(dá)VLP-16輸出兩種類型的數(shù)據(jù),采用UDP協(xié)議包括數(shù)據(jù)包和位置包,將采集數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)焦た貦C(jī),由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)3D障礙物檢測(cè)、跟蹤、分類和可行駛區(qū)域的檢測(cè),結(jié)合提前錄制的高精地圖,幫助自動(dòng)駕駛車輛看到和理解周圍環(huán)境。

2)定位方案的分析結(jié)果。使用MATLAB將LIDAR、GPS、INS和融合后的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,橫縱坐標(biāo)分別表示絕對(duì)位置,通過(guò)分析可以明顯看到該定位方案融合定位效果較好。

圖1 各定位方案的數(shù)據(jù)分析對(duì)比圖

4 總結(jié)

自動(dòng)駕駛車輛的傳感器攝像頭、激光雷達(dá)等所監(jiān)測(cè)到的距離和范圍是有限的,高精定位和高精地圖不僅可以充當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車的千里眼,幫助自動(dòng)駕駛汽車提前知曉位置信息,精確規(guī)劃行駛路線,還能輔助自動(dòng)駕駛進(jìn)行環(huán)境認(rèn)知?！案呔ㄎ?高精地圖”也可以提供相應(yīng)的駕駛輔助,為自動(dòng)駕駛以及駕駛終端的決策帶來(lái)改變。未來(lái)高精地圖和高精定位的基礎(chǔ)設(shè)施,將與傳感器、激光雷達(dá)等發(fā)揮融合作用,在彌補(bǔ)激光雷達(dá)等相對(duì)定位技術(shù)不足基礎(chǔ)上,大范圍削減行業(yè)成本,推動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)早日市場(chǎng)化,共同推動(dòng)自動(dòng)駕駛發(fā)展。