上一次的分享里，我介紹了GPS的原理（三角定位）及特性（精度、頻率），同時(shí)也從無(wú)人車(chē)控制的角度，討論了為什么僅有GPS無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人車(chē)的定位要求。

為了能讓無(wú)人駕駛系統(tǒng)更高頻率地獲取定位信息，就必須引入頻率更高的傳感器。這就是這一次內(nèi)容的主角——IMU（Inertial Measurement Unit）慣性測(cè)量單元。

下圖就是百度Apollo計(jì)劃推薦使用的IMU——NovAtel SPAN-IGM-A1。

圖片出處：github.com

GPS得到的經(jīng)緯度信息作為輸入信號(hào)傳入IMU，IMU再通過(guò)串口線(xiàn)與控制器相連接，以此獲取更高頻率的定位結(jié)果。

IMU的原理

當(dāng)我們晚上回到家，發(fā)現(xiàn)家里停電時(shí)，眼睛在黑暗中什么都看不見(jiàn)的情況下，只能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，極為謹(jǐn)慎地走小碎步，并不斷用手摸周?chē)臇|西（比如冰箱），用以確定自己所在的位置。

IMU的原理和黑暗中走小碎步很相似。

在黑暗中，由于自己對(duì)步長(zhǎng)的估計(jì)和實(shí)際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來(lái)越多時(shí)，自己估計(jì)的位置與實(shí)際的位置相差會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。

就像下圖所示。

走第一步時(shí)，估計(jì)位置（黑人所在位置）與實(shí)際位置（白人所在位置）還比較接近；但隨著步數(shù)增多，估計(jì)位置與實(shí)際位置的差別越來(lái)越大。

圖中的小人只朝一個(gè)方向移動(dòng)，是一維的。根據(jù)此方法推廣到三維，就是慣性測(cè)量單元的原理。

學(xué)術(shù)上的語(yǔ)言是：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

IMU的特性

小到每天使用的手機(jī)，大到導(dǎo)彈、宇宙飛船都會(huì)使用到IMU，區(qū)別在于成本和精度。

根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，對(duì)IMU的精度有不同的要求。精度高，也意味著成本高。

IMU的精度、價(jià)格和使用場(chǎng)景，如下圖所示。

從圖中可以看出，普通的消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品所使用到的IMU都是低精度且十分廉價(jià)的IMU，這種IMU普遍應(yīng)用于手機(jī)、運(yùn)動(dòng)手表中。常用于記錄行走的步數(shù)。

而無(wú)人駕駛所使用到的IMU，價(jià)格從幾百塊到幾萬(wàn)塊不等，取決于此無(wú)人駕駛汽車(chē)對(duì)定位精度的要求。

精度更高的IMU會(huì)用于導(dǎo)彈或航天飛機(jī)。就以導(dǎo)彈為例，從導(dǎo)彈發(fā)射到擊中目標(biāo)，宇航級(jí)的IMU可以達(dá)到極高精度的推算，誤差甚至可以小于一米。

除了精度和成本的特性外，IMU還有兩個(gè)十分關(guān)鍵的特性。其一是更新頻率高，工作頻率可以達(dá)到100Hz以上。其二是短時(shí)間內(nèi)的推算精度高，不會(huì)有太大的誤差。

在上次有關(guān)GPS的分享中，我們提到GPS的定位頻率只有10Hz，而IMU的兩個(gè)特性剛好可以彌補(bǔ)GPS的劣勢(shì)，和GPS組成定位的黃金搭檔。

黃金搭檔：GPS + IMU

回到最開(kāi)始的故事。晚上回到家，發(fā)現(xiàn)家里停電時(shí)，眼睛在黑暗中什么都看不見(jiàn)的情況下，只能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，極為謹(jǐn)慎地走小碎步，并不斷用手摸周?chē)臇|西（比如冰箱），用以確定自己所在的位置。

在這個(gè)過(guò)程中，GPS的作用就類(lèi)似于摸到的東西之后對(duì)自己的位置進(jìn)行的修正，IMU的作用就類(lèi)似于小碎步，不對(duì)地對(duì)自己的位置進(jìn)行推算。

不斷的修正和不斷的推算，就能保證自己的定位相對(duì)穩(wěn)定。如下圖所示。

在無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，GPS的更新頻率一般為10Hz，IMU的更新頻率一般為100Hz。

兩個(gè)傳感器共同工作時(shí)，可以給出頻率100Hz的定位輸出。下圖是兩傳感器數(shù)據(jù)融合的原理圖。

跑在控制器上的軟件對(duì)信息的處理流程在時(shí)間維度上類(lèi)似下圖。在0~100ms的周期中，使用IMU進(jìn)行9次位置的估計(jì)，待新的GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)時(shí)，則進(jìn)行修正，以此實(shí)現(xiàn)高頻率的定位結(jié)果輸出。

就這樣，GPS與IMU便相輔相成地實(shí)現(xiàn)了無(wú)人車(chē)的穩(wěn)定定位。

有了100Hz的穩(wěn)定定位，無(wú)人車(chē)在處理路徑跟隨問(wèn)題時(shí)，就能像下圖一樣，保持極高頻率的定位和控制。每走一小步，便重新進(jìn)行方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的計(jì)算，進(jìn)而控制無(wú)人車(chē)沿著既定的軌道行駛。

小結(jié)

上面的分享用生活中簡(jiǎn)單的例子介紹了IMU的基本原理，并對(duì)IMU的特性（精度、成本、頻率）進(jìn)行了討論，最后探討了GPS如何與IMU配合完成無(wú)人車(chē)的定位功能。

解決了無(wú)人車(chē)的第一大問(wèn)題“我在哪”，之后就要開(kāi)始討論“我要去哪”和“我怎么去”的問(wèn)題。

因此，在接下來(lái)的分享中，我會(huì)著重介紹感知相關(guān)的傳感器（相機(jī)、激光雷達(dá)等）。

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