随着汽车智能驾驶技术的发展,IMU得到越来越广泛的应用。导远电子副总工程师李楠表示,IMU不仅仅是车载定位系统P-box的核心部件,也是智能汽车提升BEV性能,从而提升城市领航辅助驾驶(NOA)性能的重要部件。
李 楠 | 导远电子副总工程师
随着汽车智能驾驶技术的发展,IMU得到越来越广泛的应用。导远电子副总工程师李楠表示,IMU不仅仅是车载定位系统P-box的核心部件,也是智能汽车提升BEV性能,从而提升城市领航辅助驾驶(NOA)性能的重要部件。
IMU主要涉及两种常用构型,一种是独立模块形式,另一种是焊接到主板上的贴片形式。哪种构型更适合智能驾驶?李楠坦言,导远针对影响车载IMU性能的四种典型环境和长期环境进行模拟测试,结论显示独立IMU性能更稳定,更安全可靠,适合高精度导航定位,安全应用场景,以及具有航位推算需求场景;贴片IMU适合低精度导航定位,非安全应用场景,以及卫星导航算法插值场景。
以下为演讲内容整理:
IMU主要涉及两种常用构型,一种是独立模块形式,另一种是焊接到主板上的贴片形式。从行业发展来看,IMU在智能驾驶领域的应用越来越广泛,不仅是车载智能驾驶导航定位系统P-box的核心部件,同时也是提升智能驾驶汽车BEV性能,以及进一步提升城市领航辅助驾驶(NOA)性能的关键部件,这也要求IMU具备良好的稳定性和可靠性。
独立IMU具有高强度外壳保护,并且可以选择易于维护和维修的位置安装。最重要的是它采用全要素标定补偿技术,以及多物理场匹配技术,标定参数持久稳定,性价比高。国际大厂如ADI、霍尼韦尔,通常会使用独立IMU构型。
贴片IMU通过贴片方式将IMU直接焊接到主板固定位置,通常采用屏蔽罩保护或无保护,更容易受到环境影响,同时,经过二次焊接后标定参数可能会发生变化,但其制造成本低。
今天我们将通过实验来验证这两种构型哪种更适合智能驾驶。
独立IMU和贴片IMU——典型环境影响对比
对车载IMU性能产生影响的典型环境主要有4种,即升温、降温、预紧力和振动。导远通过实验模拟这四种典型环境,对两种IMU进行评估。
图源:嘉宾演讲材料
该实验通过可视化界面来展示IMU输出的数据,可视化界面包含3个窗口,上方窗口展示IMU陀螺输出的XYZ三轴角速度,中间窗口展示对角速度积分得到的车体姿态,下方窗口展示IMU输出的温度。
图源:嘉宾演讲材料
第一个是升温影响实验。操作员采用热风机直接对IMU进行加热。实验显示,加热时,贴片IMU的温度迅速上升,陀螺角速度输出发生明显变化,Y轴角速度产生零偏大约为0.2°/s。与之相反,独立IMU没有明显变化。
操作员继续提高温度,贴片IMU零偏继续增大,Y轴陀螺输出零偏已经达到0.4°/s。两个IMU均为静态放置于桌面,仅通过热风机加热升温,贴片IMU便产生了明显零偏值。正常状态下,零偏值应该零输出。
通过对陀螺角速度积分得到车体姿态,零偏越大,姿态误差也就越大。实验中,贴片IMU的车体姿态发生明显翻滚,产生了11°的侧翻,4°的俯仰。说明在智能驾驶时,升温所带来的姿态偏差会影响到智能驾驶系统对车体的控制,从而影响行驶安全。
第二个是降温影响实验。操作员使用速冻喷雾剂对IMU进行降温。可以看到下方窗口中IMU温度迅速下降,仅几秒钟时间就从30℃降到10℃左右。喷雾结束后,贴片IMU零偏已经发生明显变化,Y轴陀螺产生了0.2°/s的零偏值,Z轴陀螺产生0.15°/s的零偏值,而独立IMU零偏非常稳定。贴片IMU的车体姿态也产生了较大变化,横滚是8°,航向是4°。假设汽车在4°航向偏差下行驶100米,大约会产生6m的横向偏差,接近两条车道的偏差,在智能驾驶中,安全性就面临挑战。安全性就面临挑战。
备注:喷雾过程中,可视化界面的第一个窗口陀螺输出曲线的噪声变大,是由于喷雾剂喷雾对IMU的撞击。
图源:嘉宾演讲材料
第三个是预紧力影响实验。操作员通过螺丝刀改变安装螺钉的松紧来调整预紧力。操作员先松开螺钉,右侧的贴片IMU已经在Z轴输出上产生明显变化,达到0.4°/s的零偏,此外,X轴Y轴也有明显变化,独立IMU则非常平稳。而后操作员拧紧螺钉,让预紧力回到初始状态。此时,贴片IMU的车体姿态仍存在近4°的航向偏差。
图源:嘉宾演讲材料
最后是振动影响实验。操作员采用手机振动影响IMU。在振动影响下,贴片IMUZ轴Y轴零偏产生明显变化,Z轴是0.15°/s,Y轴是0.1°/s。独立IMU无明显零偏变化,振动过程中只是出现微小波动。贴片IMU车体姿态产生1.6°横滚角,以及2°航向偏差。
图源:嘉宾演讲材料
在智能驾驶中,航向对定位精度至关重要。通过四组实验可以得出,独立IMU在升温、降温、预紧力和振动影响下表现稳定,不容易受到环境变化影响。
独立IMU和贴片IMU——长期环境影响对比
通过高温运行耐久、热冲击耐久、通电温度循环耐久三个耐久实验,导远对两种IMU构型进行长期环境影响测试。
高温运行耐久:在85℃环境中通电恒温运行1000小时;
热冲击耐久:在-40℃~85℃区间进行温度切换,温度交换时间≤30秒,每次保温20min,累计热冲击次数506次;
通电温度循环耐久:在-40℃~85℃区间进行温度循环,温变速率保持4℃/min,每次保温20min,累计循环次数190次。
图源:嘉宾演讲材料
首先分析陀螺标度误差变化,上方点图是独立IMU陀螺标度误差数据变化图,横轴是120只产品的编号,纵轴为标度误差。蓝色点是实验前的标度误差值。此时,独立IMU标度误差值是1.2‰,实验结束后变化为1.5‰。下方点图是贴片IMU数据变化图,实验前标度误差值是2.7‰,实验后变化为5.5‰,增幅超过一倍。
假设汽车开启城市领航辅助驾驶在十字路口掉头,由于IMU产生了5‰的标度误差,会导致将近1°航向偏差,当汽车继续直行100m后,横向偏差将达到约1.7m,会偏离车道。
图源:嘉宾演讲材料
接着观察陀螺零偏的变化。独立IMU的陀螺零偏实验前是0.15°/s,实验后仍旧保持0.15°/s。贴片IMU的陀螺零偏则出现显著变化,测试前是0.2°/s,测试后变为0.6°/s,增幅达到两倍。
图源:嘉宾演讲材料
可以看到,长期环境对于有保护的独立IMU影响并不明显;而贴片IMU由于缺乏保护,容易受到环境干扰。相较于贴片IMU,独立IMU在长期环境影响下更稳定。
总结
综上所述,独立IMU性能更稳定,更安全可靠,更适合高精度导航定位和安全相关场景。此外,也可以满足隧道或地库等航位推算场景的定位需求。
而贴片IMU则更适合低精度导航定位及非安全性应用场景,同时也适合卫星导航算法插值计算场景。
基于可靠性、稳定性和安全性的综合考量,独立IMU更适合智能驾驶。