【分享】导远自动驾驶高精度组合定位技术

发布时间:2020-08-25

分享嘉宾:广州导远电子科技有限公司副总工程师司徒春辉

分享主题:关于高精度定位在HWP(HighWay Pilot,高速公路自动驾驶)场景下的需求分析。很多主机厂客户经常问我们,怎样的定位精度才能做好高速自动驾驶(HWP)的应用?今天会聚焦到一个很具体的话题:关于高精度定位在HWP场景下的需求分析。

今天的话题包括以后三部分:

1.如何满足HWP下定位的安全条件;

2. HWP下有多大的概率可以顺利通过1公里的隧道;

3. HWP应该选用双频还是单频RTK方案;

4. 导远电子的新品介绍。

首先,我们来探讨一下,乘用车在高速公路的场景下实现L3+的HWP需要怎么样的精度定位要求?根据中国高速公路设计基本参数和乘用车最大尺寸,对乘用车的横向定位精度要求是0.2米,纵向的精度要求是1米,置信度95%。在车身刚好压线的极限情况,横向定位精度必须小于0.78米,纵向精度小于3米,置信度大于99.7%。在匝道、互通式立交,定位精度要求更高(表1)。

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表1

如果定位超出了上述定位精度要求,会有怎么样的危险?就如下第一种情况,车辆行驶在左车道,因定位偏差误认为在右车道,在超车时就会驶向对面车道,产生碰撞危险。同样、在交通拥堵、故障停靠等情况下,定位的偏差也会导致危险情况的发生(图1)。

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图1 定位误差可能导致的后果

在进入到具体参数要求的讨论前,我们先来回顾一下典型的融合定位系统原理(图2),主要由前融合和后融合两部分组成:前融合的主要输入包括IMU、GPS以及车辆信息。前融合中通过四元数积分、EKF等算法得到6自由度的位置、速度、姿态和时间消息;后融合根据前融合的定位结果,把地图中的车道线、路标等几何要素信息,与从ADAS摄像头得到的同类信息进行匹配融合,最终形成一个高精确的定位结果。后融合的定位结果也可反馈到前融合,作为观测量。

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图2 基于HD-MAP的融合定位架构

HWP下定位的安全条件可以认定为需要保证任何情况下行驶300m内横向位置误差需要小于等于0.78米,,以确保车辆行驶的安全。对于300m行驶距离,在最高限速120km/h的情况下,不短于9秒的行驶时间。这意味着,一旦RTK定位和车道线识别异常,可以提供最短9秒的安全接管时间。高精度定位维持了位置坐标参考,可以在故障容错时间内对RTK飞点和车道线异常识别提供了依据。这同时也是降低HWP的接管率的需求,根据统计,良好的双频RTK接收机在高速行驶中85%的RTK失锁时段在5s以内,9秒以上的航位推算时间,可以覆盖绝大部分的RTK定位短期中断的情况,有效降低接管率,提高驾乘体验。

要实现上述安全条件,我们接下来对DR航位推算的性能做如下分解。为了考虑较坏的情况,设定车速为60km/h,300m推算时间18s。

第一步:一般IMU参数为1 σ指标,假设误差服从正态分布,3σ结果可以认为是1 σ指标的3倍,那么问题转化为:要求300m航位推算,3σ横向误差要小于0.78米,主要由IMU、里程计和定位算法保证,相当于要求推算精度为2.6‰D(3σ);

第二步:对0.78m的横向误差做分解,假设50%来自零点漂移,50%来自于陀螺标度误差,即各自造成0.39m的误差。根据DR推算的简化模型:

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可以算出允许的陀螺零漂是10°/h(1σ)。

第三步:对10°/h的零点漂移再进一步分解:假定零点漂移80%是由零偏不稳定性引起,剩余20%来自零位温漂的影响。持续时间τ=18s,Allan方差值是8°/h,对应的100s零偏不稳定性是4°/h。如温度漂移为对于2°/h,且假设温度波动为1°C/min,可以得到对陀螺全温零偏(1σ,-40~85°C)的要求±0.115°/s;

第四步:对于标度误差引起的定位误差,假设弯道半径250米,时速60km/h,得到转弯角速率3.78°/s,横向误差0.39米所对应陀螺标度误差最大是2.2‰。

第五步:同时根据高程误差和俯仰角的关系:

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在高程最大允许误差1.4m的条件下计算得加速度零偏误差=1.6mg(1σ);

第六步:在算法模型、弯道曲率和路面状态良好时,结合车辆的轮速、档位等信息,纵向的推算精度可达到1‰(95%)或1.5‰(99.7%)。

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表2

可见INS570的规格(表2)不低于上述估计的需求指标,部分指标较优。我们继续随机抽取了6台INS570D,在广深高速进行了500+次的航位测算测试,横向累积误差达到0.78m时的里程和时间分布如下(表3):

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表3

得到偏差小于0.78米所经历的里程,在3σ的结果是414m,意味有99.7%的结果行驶里程超过414m。1σ可以达到900m行驶里程。偏差

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图3 横向累积偏差达0.78m时所历经的里程(左图)和时间(右图)

综合上述分析,要满足HWP下定位的安全条件,首先需要有模型完备融合定位算法;并且需要使用高性能 IMU,相关指标包括:陀螺零偏不稳定性

导远的INS570D组合导航设备能保证400m距离航位推算的横向误差≤0.78m(置信度>99.7%),在硬件设备满足了安全条件的基础上,我们再来看HWP下有多大概率可以顺利通过1km的隧道?我们对1km的隧道场景做了6种合理化的假设:

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图4: 1km INS570D隧道内定位推算红色轨迹:RTK,蓝色轨迹:组合定位

  • 隧道中(RTK/GNSS不可用)

1、车道线识别正常(概率90%)

2、车道线连续识别异常

3、车道线连续识别异常>400m(车道线缺损、拥堵、积水等,概率2%)

  • 隧道内车道线正常, 出隧道后

4、RTKINT恢复&车道线识别正常(概率70%)

5、RTKINT未恢复 & 车道线线识别正常(网络信号恢复延迟、遮挡等,概率20%)

6、RTKINT未恢复& 车道线线识别异常(网络信号恢复延迟、遮挡加上车道线缺损或雨天,概率10%)

下面是详细分析:

1)隧道中车道线识别正常时,是能够满足HWP安全要求的;

2)隧道中车道线识别异常,但推算里程

3)而在隧道中车道线识别异常且推算距离超过400m的场景下,横向偏差>0.78m,不能满足HWP的安全要求。

4)当出隧道后,车道线识别正常,RTK也恢复正常,能够满足HWP的定位要求;

5)出隧道之后车道线识别正常,但GPS还没有恢复到RTK状态下,通过单点GPS+IMU+轮速+车道线匹配的融合方法,横向精度能够满足HWP要求,对于纵向精度,持续推算时间过长,纵向精度会逐渐降低——假设在隧道内已经推算了1公里的距离,在隧道外再继续推算1公里,纵向误差可能就会达到3m(置信度99.7%),此后只有单点GNSS保持纵向位置,没法满足置信度和安全要求,因此超过1公里后,纵向精度就可能不能满足HWP的要求,需要做降级处理;

6)出隧道后车道线识别异常,RTK也未恢复,航位推算的距离超过400米后,HWP将做降级处理。

对上述场景进行汇总(表4),在隧道内,车道线识别异常而且航位推算距离>400m不能满足HWP的安全要求,在出隧道之后车道线异常,RTK没有恢复的情况下,航位推算距离大于400m,也不能满足HWP的安全要求。

隧道中,98%的概率HWP可用

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出隧道后,93%概率HWP可用

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表4

最后关于双频和单频的选择,我们也做了三种组合的测试,来回答这个提出频率很高的问题。第一种是双频车规GNSS+双频RTK服务,第二种是双频车规GNSS+单频RTK服务,第三种是测绘级接收机+双频RTK服务(表5)。不管是从定位精度还是恢复时间,单频RTK结果差恢复时间和固定解定位精度都比较差。单频RTK比较差的定位精度也会导致允许的安全推算距离会降低。所以双频GNSS接收机和双频RTK服务会是较优的选择。


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表5

关于导远电子,公司总部位于深圳,在广州、苏州、海门设有子公司,北京设有分公司,目前在广州和海门的工厂均满足IAFT16949车规级质量体系,同时公司开发流程遵循ISO26262和ASPICE体系。针对不同行业客户对性能和成本的要求,我们相应推出了两款新的产品:1)高精度定位产品INS570H,零偏不稳定性0.8°/h,全温零偏

公司OEM合作案例包括,乘用车、小巴、货车,和商用车,其中乘用车项目已于2018年实现SOP,目前也已增至数款SOP产品,具备丰富的前装量产管理经验。

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