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），同時也從無人車控制的角度，討論了為什么僅有GPS無法滿足無人車的定位要求。

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

下圖就是百度Apollo計劃推薦使用的IMU——NovAtel SPAN-IGM-A1。

圖片出處：github.com

GPS得到的經緯度信息作為輸入信號傳入IMU，IMU再通過串口線與控制器相連接，以此獲取更高頻率的定位結果。

IMU的原理

當我們晚上回到家，發現家里停電時，眼睛在黑暗中什么都看不見的情況下，只能根據自己的經驗，極為謹慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西（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，由于自己對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數越來越多時，自己估計的位置與實際的位置相差會越來越遠。

就像下圖所示。

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

圖中的小人只朝一個方向移動，是一維的。根據此方法推廣到三維，就是慣性測量單元的原理。

學術上的語言是：以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

IMU的特性

小到每天使用的手機，大到導彈、宇宙飛船都會使用到IMU，區別在于成本和精度。

根據不同的使用場景，對IMU的精度有不同的要求。精度高，也意味著成本高。

IMU的精度、價格和使用場景，如下圖所示。

從圖中可以看出，普通的消費級電子產品所使用到的IMU都是低精度且十分廉價的IMU，這種IMU普遍應用于手機、運動手表中。常用于記錄行走的步數。

而無人駕駛所使用到的IMU，價格從幾百塊到幾萬塊不等，取決于此無人駕駛汽車對定位精度的要求。

精度更高的IMU會用于導彈或航天飛機。就以導彈為例，從導彈發射到擊中目標，宇航級的IMU可以達到極高精度的推算，誤差甚至可以小于一米。

除了精度和成本的特性外，IMU還有兩個十分關鍵的特性。其一是更新頻率高，工作頻率可以達到100Hz以上。其二是短時間內的推算精度高，不會有太大的誤差。

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

黃金搭檔：GPS + IMU

回到最開始的故事。晚上回到家，發現家里停電時，眼睛在黑暗中什么都看不見的情況下，只能根據自己的經驗，極為謹慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西（比如冰箱），用以確定自己所在的位置。

在這個過程中，GPS的作用就類似于摸到的東西之后對自己的位置進行的修正，IMU的作用就類似于小碎步，不對地對自己的位置進行推算。

不斷的修正和不斷的推算，就能保證自己的定位相對穩定。如下圖所示。

在無人駕駛系統中，GPS的更新頻率一般為10Hz，IMU的更新頻率一般為100Hz。

兩個傳感器共同工作時，可以給出頻率100Hz的定位輸出。下圖是兩傳感器數據融合的原理圖。

跑在控制器上的軟件對信息的處理流程在時間維度上類似下圖。在0~100ms的周期中，使用IMU進行9次位置的估計，待新的GPS定位數據進來時，則進行修正，以此實現高頻率的定位結果輸出。

就這樣，GPS與IMU便相輔相成地實現了無人車的穩定定位。

有了100Hz的穩定定位，無人車在處理路徑跟隨問題時，就能像下圖一樣，保持極高頻率的定位和控制。每走一小步，便重新進行方向盤轉角的計算，進而控制無人車沿著既定的軌道行駛。

小結

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

解決了無人車的第一大問題“我在哪”，之后就要開始討論“我要去哪”和“我怎么去”的問題。

因此，在接下來的分享中，我會著重介紹感知相關的傳感器（相機、激光雷達等）。

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