慣性傳感器,，加速度計(jì)和角速度陀螺儀作為汽車的“內(nèi)耳”,，多年來一直在汽車安全氣囊和穩(wěn)定控制系統(tǒng)等應(yīng)用中執(zhí)行一些基本的低性能任務(wù),。

　　無需其他傳感器的輸入,，慣性傳感器能夠獨(dú)立探測到車輛的運(yùn)動,，例如：一個簡單的單軸加速度計(jì)可以探測到汽車的高g急劇減速來打開安全氣囊,。更先進(jìn)的慣性傳感器組件由兩個正交的XY加速度計(jì)和一個單軸／雙軸角速度陀螺儀組成,，常用于車輛的穩(wěn)定控制,。而橫向,、縱向加速度和轉(zhuǎn)速決定了車輛是否需要采取措施來防止側(cè)翻或減少轉(zhuǎn)彎時的車輪打滑。從本質(zhì)上講,，慣性傳感器組件決定了汽車能否在駕駛員設(shè)置的暨定軌道上行駛,。

　　現(xiàn)在通常的車載慣性傳感器組件可以測量某個方向的運(yùn)動狀態(tài),，而慣性測量單元（IMU）作為一個嵌入了三軸線性加速度計(jì)和三軸角速度陀螺儀的模塊，可測量六個自由度（“6 DOF或六軸”）,。通過組成六軸結(jié)構(gòu)的線性運(yùn)動 （三維空間）和旋轉(zhuǎn)測量組件（滾動,，俯仰和偏航），IMU能夠捕獲車輛運(yùn)動狀態(tài)的全部分量,。IMU不僅僅可用于安全氣囊和車輛穩(wěn)定性控制,，并且可以實(shí)時跟蹤計(jì)算車輛的位置和方向。因此,，IMU通過精確校準(zhǔn)消除溫度和偏差漂移后,，結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法能在短時間內(nèi)對車輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位，且不需要任何輔助,。更先進(jìn)的系統(tǒng)會融合車輪速度和角度信息,，以輔助卡爾曼濾波器定位估計(jì)，進(jìn)一步提高定位精度,。

　　最新一代的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛汽車需要高精度IMU來預(yù)測車輛運(yùn)動以確定實(shí)時位置,。在這些先進(jìn)的系統(tǒng)中，IMU信息與GPS接收器甚至視覺傳感器（如激光雷達(dá)和攝像機(jī)）相融合,，不斷地估計(jì)和更新車輛位置信息,，然后被輸入系統(tǒng)的中央計(jì)算模塊。這種依靠融合額外傳感器數(shù)據(jù)（如GPS）的IMU導(dǎo)航系統(tǒng)就被稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）,。

　　GPS接收器獨(dú)自不能提供連續(xù)不間斷的高精度位置信息,，但通過接收遍布全球的衛(wèi)星信號，可將定位信息精確到幾米之內(nèi),。校正衛(wèi)星時鐘誤差和大氣傳播誤差后,，GPS接收器可通過實(shí)時動態(tài)（RTK）等算法技術(shù)將定位精確到2～4厘米左右。GPS接收器通常1 Hz或每秒更新一次位置信息,，但是也可達(dá)到10Hz～20Hz來滿足動態(tài)定位應(yīng)用的需求,。簡而言之，路況最佳時,，車輛在高速公路上每行駛10英尺左右就會更新一次GPS位置信息,。

　　IMU可用來在GNSS ／ GPS接收器每次更新之間估計(jì)車輛的位置，以提高定位信息輸出頻率,。此外,，GPS接收器經(jīng)常會在一些“不利于GPS信號”的環(huán)境（如在隧道和高樓附近）中丟失信號，這些情況下IMU就需要推算位置10秒,、20秒甚至多達(dá)30秒,，推算時間越長，IMU推算位置的誤差就會越大,。通常的自動駕駛系統(tǒng)允許的定位誤差范圍只有10～30 cm,，雖然目前某些軍用IMU和研究用的IMU能夠提供這種性能,，但高達(dá)五位數(shù)的價(jià)格令人望塵莫及。

　　為了向市場提供價(jià)格合理的IMU,，開發(fā)人員通常使用基于MEMS的加速度計(jì)和陀螺儀,。 批量生產(chǎn)的硅基MEMS IMU傳感器價(jià)格都低于100美元，能更好地迎合消費(fèi)類和工業(yè)系統(tǒng)類系統(tǒng)的成本要求,。下一代MEMS IMU傳感器有望提供包括全自動L5級驅(qū)動應(yīng)用在內(nèi)的高級汽車應(yīng)用所需的精度和可靠性,。

　　基于MEMS的慣性測量單元能夠提供切合汽車市場的尺寸和工藝，目前市場上的幾種性能良好的MEMS IMU傳感器,，其陀螺儀偏置不穩(wěn)定性（BI）為5°／h,，角度隨機(jī)游走（ARW）為0.5°／√h，加速度BI在10?g范圍內(nèi),。這些產(chǎn)品可以在GPS更新間隔之間提供有效而又平滑的位置信息,。然而，當(dāng)車輛穿過隧道或地下通道時,，這些中等性能的IMU在幾秒后就難以保持小于10 cm的位置精度,。 目前最先進(jìn)的MEMS慣性傳感器正在努力達(dá)到陀螺儀BI接近1°／h，ARW為0.1°／√h的指標(biāo),。一旦達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)水平,，GPS＋I(xiàn)MU的組合導(dǎo)航系統(tǒng)將能滿足高級別自動駕駛應(yīng)用所需的性能。

　　除上述問題外,，震動或高瞬時加速度會引起MEMS傳感器的加速度計(jì)與陀螺儀結(jié)構(gòu)的硅微指粘連,。由于范德瓦爾斯力現(xiàn)象，一旦粘連,，它們就很難分開,。設(shè)備也不能像其他半導(dǎo)體設(shè)備一樣通過上／下電循環(huán)來解決問題。

　　盡管消費(fèi)和工業(yè)市場可以接受基于MEMS的陀螺儀／加速度計(jì)的故障率,，但它能滿足汽車企業(yè)對低故障率和使用壽命的需求嗎,？ 這將是IMU器件開發(fā)人員面臨的另一大挑戰(zhàn)。

　　每個人都翹首以盼自動駕駛汽車能夠早日取代現(xiàn)有的老式車輛,，釋放車庫和停車場的寶貴空間，讓我們的道路更加安全高效,。目前,，全球數(shù)以萬計(jì)的工程師正致力于開發(fā)下一代傳感技術(shù)，以早日實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域這一里程碑式的發(fā)展,。

　　IMU器件技術(shù)和INS導(dǎo)航技術(shù)可能不為大眾所熟知,，但毫無疑問，它們是確保自動駕駛汽車安全高效的基本要素,。