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无人驾驶的拦路虎——惯性导航系统

发布日期:2019-02-04

如果无人驾驶系统只使用16线激光雷达,那么惯性导航系统是无人驾驶中最昂贵的部件,价格大约在18-20万之间,至于64线激光雷达,Velodyne曾经说过量达到一定级别,价格可以不到1万美元,而Waymo更宣称自己的64线激光雷达成本只有Velodyne的10%。也就是不到1万美元。

而惯性导航系统自从10年前就开始用在街景采集、无人机、测绘领域、无人驾驶,价格一直未有明显下降。其原因很简单,激光雷达领域竞争激烈,新兴激光雷达公司近百家,而无人驾驶所需要的惯性导航系统,其最核心的MEMS IMU模块,只有ADI和挪威的Sensonor。Sensonor的出货量极低,主要针对高端市场,其最常见的产品为STIM 300,价格高达1万美元,使用这个模块的惯性导航,价格最少也在5万美元以上。

上图为百度无人车,其GPS定位和惯性测量单元都由NovAtel提供,价格大约20-25万左右,IMU 为NovAtel IMU-IGM-A1 ,GPS接收机为NovAtelProPak6。 IMU-IGM-A1通过内置的微处理器,能够以最高 200Hz 的频率,输出实时的高精度三维位置、速度、姿态信息,也是目前 NovAtel 产品中体积最小、重量最轻的组合导航产品。该产品还有另一种配置,可作为一个独立的惯性测量单元(IMU),与 NovAtel 其他具备 SPAN技术的板卡或接收机,组成分体式 MEMS 组合导航系统。

上图为IMU-IGM-A1

一般都与NovAtelProPak6联合使用

上图为堆叠使用

惯性导航系统主要有两个作用,一个是在GPS信号丢失或者很弱的情况下,暂时填补GPS留下的空缺,用积分法取得最接近真实的三维高精度定位。中国大城市高楼林立,即便是北斗加GPS加GLONASS,卫星导航信号还是有很多无法覆盖的地方,特别是以北京为代表的北方高纬度地区。北方卫星导航仰角都不高,如果仰角不超过48度,卫星发出的信号由于受地面高层建筑物的遮挡,实际只能覆盖城市面积的30%。而日本的QZSS系统可以保证任何时候日本上空都有一颗仰角超过70度的卫星,东京地区高达85度,可以覆盖任何高层楼区。所以市区的无人驾驶,惯性导航系统必不可少。

惯导另一个作用是配合激光雷达。GPS+惯性导航系统为激光雷达的空间位置和脉冲发射姿态提供高精度定位,建立激光雷达云点的三维坐标系。惯导可用于定位,与其他传感器融合时,也需要统一到一个坐标系下。定位是最常用的,通过 IMU、惯性导航系统、编码器和 GPS,得到一个预测的全局位置。当激光雷达实时扫描单次的点云数据后,结合单次的点云数据进行匹配,并进行特征提取。这些特征包括路沿、车道线、高度等周围点线面的特征。对于高精度地图,提取过特征与实时提取的特征进行匹配,最终得到精准的车本体速度,这是激光雷达的定位过程。

便宜的MEMS IMU芯片也不少,比如手机里面基本都有,价格甚至不到1美元。IMU-IGM-A1使用的是ADI的ADIS 16488。

上图为ADIS 16488的参数,于2011年12月推出。这款模块的价格是惊人的每千片1190美元,如果是低于百片,价格可能1万美元,所以惯性导航系统才如此昂贵。这是一款战术级10自由度(DoF)传感器,在单封装中集成一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器。新款 MEMS IMU提供最稳定、最完整的集成传感器套件,支持高性能导航和平台稳定控制应用的严格要求。除了重要的战术级(低于10度 /小时)零偏稳定度以外,在重力加速度效应、温度系数和带宽等一般更重要的特性方面,ADIS16488同样超过所有其它同类陀螺仪/IMU产品,改善最多可达100倍。此外,在对线性加速度和振动加速度抑制方面,新款 i Sensor MEMS IMU甚至超过传统军用级 IMU。每个器件均要经过独特而全面的工厂校准,能够在最恶劣的环境下提供无与伦比的精度;工作温度范围从零下55度到105度高温,相对于典型的运动传感器开发,设计的复杂度、时间、成本和风险大大降低。

上图为ADIS 16488的内部框架图

上图为几种IMU的3分钟累积误差值。MPU-6000高达6889米,不过它的价格也很诱人,仅要15美元,VectorNav的VN-200高达3478米,价格只要2000美元,STIM 300误差大幅度缩窄至417米,价格要1万美元。KVH的1750只有202米,价格要25000美元,IMU-IGM-A1与KVH 1750性能接近,价格也接近。

IMU-IGM-A1的性能见上表,10秒单点的水平精度为1.41米,也就是战术级精度,无人车要求的精度就是战术级精度。

上表为ADI的IMU模块产品表

ADI的MEMS IMU为何这么贵?实际上相对光纤级IMU,ADI的价格是很低的。光纤级一般都在1万美元以上。首先,目前无人车级(战术级)的MEMS IMU出货量很低。其次,MEMS IMU的内部还包含复杂的DSP处理(一般是Blackfin处理器嵌入硬核卡尔曼滤波器)。第三,制造工时长,MEMS对振动和温度非常敏感,每个战术级IMU都需要在工厂花一定时间校准才能出货。第四,封装是MEMS的主要成本,对用户来说,消费级和工业级MEMS最直接的区别就在封装上,一目了然。工业级绝对不会用塑料封装的。看性能的化,简单的说,工业级的长期稳定性,经历极端条件后的重复性都是消费级无法比拟的。

对比工业级和消费级的数据手册,你也会发现,消费级器件很多指标都不给。汽车是要考虑10年生命周期的。最后,复杂的封装导致良率很低,最终导致ADI的MEMS IMU价格较高。这一切都决定了战术级MEMS IMU的门槛极高,全球主要就是ADI一家。恐怕未来十年内都是如此,因为战术级MEMS IMU工艺的摸索需要最少需要十年时间。中国企业只做短平快的事业,超过五年回报期的基本没有人会投资。

对ADI这家年收入超过50亿美元的公司来说,MEMS IMU所占其总收入比例不到4%,ADI是全球最大的高性能数字模拟仿真器转换器公司,也是全球最大的射频/微波通讯公司,全球第二大电源管理,放大器和界面IC公司。这是全球最优秀的公司之一,大部分产品毛利率都在70%以上,大部分产品都占据行业第一的位置。

从2016年下半年开始,存储器,功率半导体,模拟IC,被动元件价格疯涨,指望电子产品量大就降价的逻辑已经行不通了,更何况ADI感受不到竞争压力,也没有降价的动机,除非无人驾驶达到百万级出货量,否则ADI恐怕是不会降价的。


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