自動駕駛高精度定位系統方案

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,自動駕駛技術得到了快速發展。共享出行、綠色出行、智能出行是未來出行的重要特征,滿足公眾出行個性化服務需求[1]。自動駕駛技術的發展主要依賴于環境感知、決策與規劃、控制與執行、高精度地圖和實時定位等技術的發展,而高精定位則是自動駕駛的基礎。定位信息作為車輛狀態的關鍵表征,也是車路數據交互最頻繁的數據元素,其準確性是實現交通安全通行、保障車路協同系統和自動駕駛技術順利實施的重中之中[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量范圍,還有面對不同環境時表現出來的感知缺陷。激光傳感器檢測效果穩定,但面對大范圍塵土時也無能為力。我司在測試時發現,一輛渣土車飛馳而過塵土飛舞,無人車發現“面前”全是障礙物。且攝像頭在面對惡劣天氣,也無法準確檢測周圍相關障礙信息。定位相關傳感器和設備也是同樣的道理,均存在一定的局限性。

2 高精定位的方案對比

定位技術是自動駕駛技術中的關鍵要素,定位的精度和穩定性直接影響自動駕駛汽車導航、決策以及高精度地圖的構建。目前普遍使用全球衛星導航系統(GPS)、動態實時差分方法以及慣性導航系統(IMU)實現定位。單傳感器獲取的信息難以確保準確性和可靠性。多傳感器融合與補償技術可以充分利用數據冗余性和互補性,保證環境感知的準確,以提高系統可靠性。

1)組合慣導(GPS+IMU)定位技術。GPS用戶可在全球范圍內實現全天候,連續的,實時的三維導航定位和測速,并進行高精度時間傳遞和精密定位。定位時會受到各種因素的影響,民用定位誤差可高達十幾米。

差分就是把上述各種GPS誤差計算出來,通過在已知絕對位置的參考點上裝上固定基站,將其與GPS對固定基站的定位結果作比較,就可以知道定位信號的偏差。再將這個偏差發送給需要定位的移動站,就可以使移動站獲得相對精準的位置信號。通常RTK的定位精度可到厘米級。

IMU利用測量加速度和旋轉速度并輔助以算法,來獲得準確定位。這項技術的最大優勢在于更新頻率比較高,一般可達到1KHz,相當于GPS更新頻率的100倍。但在運動過程中存在位移、比例以及背景白噪聲誤差,且這些誤差會不斷累積。雖GPS更新頻率較低,但給出的全局錨定在長時間定位上不會出現誤差累積。因此組合方案很好的實現了優勢互補,為車輛定位提供既準確又足夠實時的位置更新。

2)激光SLAM定位技術。自動駕駛定位技術中地圖是核心部分,傳統地圖導航中人類主要在2D地圖中確定自身位置并規劃路線,大部分車輛控制局部導航工作由手工完成。但在自動駕駛技術框架中,要求地圖精度達厘米級以上,且要有豐富的道路標志,傳統地圖不能滿足要求。SLAM即同步定位與地圖構建,是指運動物體根據傳感器信息,一邊計算自身位置一邊構建環境地圖的過程,解決車輛在未知環境下運動時定位與地圖構建問題。現SLAM主要應用于機器人、無人駕駛、AR等領域。其用途包括傳感器自身定位,路徑規劃及場景理解等。

3 自動駕駛重卡高精度定位方案

1)定位方案。本項目采用RTK GPS技術+IMU+基于激光SLAM技術方案,實現絕大多數工況下的高精定位。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,但是在城市高樓區域、惡劣天氣情況下效果下降很多,這時候融合IMU+激光雷達(視覺)的方案剛好能夠填補不足。因此該方案基本可以解決除惡略天氣情況下的定位問題。

文中重卡車型配置了2個16線激光雷達,1個GPS+IMU定位設備,1個定位基站,2個4G路由器,1個ADU接收各個傳感器的輸入信息,融合各傳感器的定位數據。在車頂上布置2個蘑菇天線和1個4G天線,接收相關信號,激光雷達的數據由交換機融合后,工控機處理相關點云數據,由工控機輸出具體位置信息給ADU。ADU融合處理所有定位數據,實現厘米級定位。

GPS和IMU將信號通過CAN總線傳輸給ADU,ADU將輸入信號進行融合處理,判斷當前位置信息和車輛狀態。激光雷達VLP-16輸出兩種類型的數據,采用UDP協議包括數據包和位置包,將采集數據通過交換機傳輸到工控機,由工控機進行數據處理,實現實時3D障礙物檢測、跟蹤、分類和可行駛區域的檢測,結合提前錄制的高精地圖,幫助自動駕駛車輛看到和理解周圍環境。

2)定位方案的分析結果。使用MATLAB將LIDAR、GPS、INS和融合后的定位數據進行分析,橫縱坐標分別表示絕對位置,通過分析可以明顯看到該定位方案融合定位效果較好。

圖1 各定位方案的數據分析對比圖

4 總結

自動駕駛車輛的傳感器攝像頭、激光雷達等所監測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自動駕駛汽車的千里眼,幫助自動駕駛汽車提前知曉位置信息,精確規劃行駛路線,還能輔助自動駕駛進行環境認知。“高精定位+高精地圖”也可以提供相應的駕駛輔助,為自動駕駛以及駕駛終端的決策帶來改變。未來高精地圖和高精定位的基礎設施,將與傳感器、激光雷達等發揮融合作用,在彌補激光雷達等相對定位技術不足基礎上,大范圍削減行業成本,推動無人駕駛技術早日市場化,共同推動自動駕駛發展。