Los sistemas de navegación inercial (INS) desempeñan un papel crucial en la tecnología de conducción autónoma, especialmente al abordar las limitaciones de otros sensores como el GPS, las cámaras y el LiDAR. Proporcionan información continua, de alta frecuencia y sin interrupciones sobre el estado del movimiento, y son uno de los componentes esenciales de la percepción y el posicionamiento de la conducción autónoma.
La función principal del sistema de navegación inercial en la conducción autónoma es la percepción del estado de movimiento del vehículo. Mide la posición tridimensional, la velocidad y el ángulo de orientación (incluyendo balanceo, cabeceo y guiñada) del vehículo. La unidad de medición inercial (IMU), como sensor principal del INS, tiene una frecuencia de actualización de datos muy alta (generalmente superior a 100 Hz), muy superior a la del GPS (1-10 Hz) y la cámara/LiDAR (10-30 Hz), y puede capturar los cambios dinámicos instantáneos del vehículo.
Por lo general, en los sistemas de navegación de conducción autónoma, las señales GPS a menudo se pierden o no son confiables, lo que provoca la interrupción de la señal GPS o una degradación grave, como en túneles, garajes subterráneos y debajo de puentes elevados donde las señales de satélite están completamente bloqueadas; En cañones urbanos y áreas con edificios de gran altura, las señales GPS se reflejan severamente y están sujetas a interferencias por trayectos múltiples, lo que resulta en una disminución significativa o incluso una falla en la precisión del posicionamiento; Bajo bosques densos, las hojas también pueden bloquear las señales de satélite.
En este punto, los sistemas INS suelen desempeñar un papel importante. Mediante la navegación por estima, basándose en la posición y actitud precisas conocidas en el momento anterior, se integran la aceleración y la velocidad angular medidas por la IMU para calcular el desplazamiento relativo actual y el cambio de actitud del vehículo, calculando así la nueva posición y actitud. Esto garantiza la continuidad del posicionamiento. Al proporcionar información de actitud de alta frecuencia, incluso con buena señal GPS, la información de actitud de alta frecuencia y alta precisión (balanceo, cabeceo, guiñada) proporcionada por el INS es difícil de proporcionar por sí sola para otros sensores.
La siguiente tabla compara los indicadores de rendimiento de navegación del Sistema de Navegación Integrado I4500 durante la navegación asistida por satélite frente a escenarios de pérdida de señal satelital.
Rendimiento del sistema I4500
Parámetros | Índice (RMS) | Comentarios | |
Precisión del rumbo | GNSS dual | 0,1° | Línea de base de 2 m |
GNSS único | 0,2° | Necesidad de maniobrar | |
Precisión de retención de fallos GNSS | 0,2°/min |
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Actitud Exactitud | GNSS es válido | 0,1° |
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Precisión de retención de fallos GNSS | 0,2°/min |
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Modo VG (Tiempo de falla GNSS ilimitado, sin aceleración) | 2° |
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Precisión de posicionamiento horizontal | GNSS es válido | 1,2 m | Punto único |
2 cm + 1 ppm | RTK | ||
Fallo del GNSS (60 s) | 20 metros |
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El sistema de propulsión automotriz moderno adopta sin excepción la tecnología de fusión de sensores. El INS es un nodo clave en el marco de la fusión.
⚪ Al integrarse con GNSS, se forma un sistema de navegación integrado GNSS/INS, la combinación más clásica y consolidada. El GNSS proporciona posición absoluta y estabilidad a largo plazo, pero las actualizaciones son lentas y susceptibles a interferencias; el INS proporciona información de movimiento relativo y actitud continua y de alta frecuencia, pero presenta un error acumulativo (deriva). El filtro Kalman aprovecha las ventajas de ambos para corregirse mutuamente: el GNSS corrige la deriva del INS, y el INS proporciona posicionamiento continuo y una salida GNSS fluida cuando falla. Además, puede mejorar la precisión y la robustez generales, y la precisión y la fiabilidad del sistema combinado son mucho mayores que las del GNSS o el INS por separado.
⚪ Al integrarse con el velocímetro, este proporciona información sobre la velocidad de las ruedas (velocidad, distancia recorrida), lo que ayuda a corregir errores del INS en la estimación de velocidad, especialmente al circular en línea recta. La siguiente tabla muestra los indicadores de rendimiento del sistema de navegación integrado I3700 de Micro-Magic Inc. Incluso en caso de pérdida de señal satelital, se puede lograr una alta precisión de medición mediante la fusión de algoritmos del INS y el velocímetro de rueda.
Índices de precisión de navegación del I3700
Tiempo de bloqueo perdido | Modo de navegación | Precisión de la posición | Precisión de velocidad | Precisión de cabeceo/balanceo | Precisión del rumbo |
3s | Conectar al odómetro | 1 cm | 0,03 m/s | 0,1° | 0,2° |
10 segundos | 1m | 0,1 m/s | 0,1° | 0,2° | |
Años 60 | 6m | 0,1 m/s | 0,2° | 0,35° |
⚪ Al integrarse con SLAM visual/LiDAR, los datos de alta frecuencia de la IMU pueden proporcionar predicción de movimiento para el procesamiento visual o LiDAR, lo que reduce la complejidad computacional de la comparación de imágenes o nubes de puntos, y mejora el rendimiento y la robustez en tiempo real (especialmente en entornos de movimiento rápido o texturas débiles). La información precisa de actitud (balanceo, cabeceo) proporcionada por el INS es crucial para analizar correctamente las relaciones geométricas de las imágenes de cámara o nubes de puntos LiDAR en pendientes y carreteras con baches.
Casos de aplicación
Tomando como ejemplo el producto I6700 lanzado por Micro-Magic Inc., este sistema puede integrar varios sensores auxiliares como GNSS, odómetro, magnetómetro, etc., y proporcionar una función de corrección de rumbo precisa para vehículos en varios escenarios operativos.
Método de corrección de rumbo I6700
Función | Condición | Comentarios |
GNSSDueno de antena dual | Habilitación de antena dual | Adecuado para campos abiertos. |
Alineación cinemática | Avión、Automotriz y Marina | Adecuado para grandes entornos de maniobra, con una velocidad de portadora de al menos 3 m/s |
Rumbo verdadero del GPS | Habilitar GPS | Adecuado para campos abiertos. |
Alineación de aceleración | Modo helicóptero | Aceleración de al menos 2,5 m/s2 en 2 segundos |
Rumbo magnético | Habilitación de la brújula magnética | El entorno del campo magnético es relativamente estable. |
Productos de sistemas de navegación inercial de alta precisión lanzados por Micro-Magic Inc.
El Sistema de Navegación Inercial (INS) es la columna vertebral del sistema de posicionamiento para conducción autónoma. Proporciona información continua, de alta frecuencia y sin interrupciones sobre el estado del movimiento y la actitud del vehículo, una tecnología clave para garantizar la continuidad del posicionamiento, la robustez y la capacidad de respuesta de alta frecuencia. Especialmente en escenarios difíciles donde el GPS pierde la sincronización (túneles, cañones urbanos), el INS mantiene su capacidad de posicionamiento mediante navegación a estima, un componente indispensable de la redundancia de seguridad. Si bien su error acumulativo inherente debe integrarse estrechamente con otros sensores (GNSS, sensores de velocidad de rueda, visión, LiDAR) para su corrección, en el marco de fusión multisensor, el INS actúa como núcleo central, mejorando significativamente la precisión, la fiabilidad y el rendimiento dinámico de todo el sistema de posicionamiento. Con el avance de la tecnología IMU (como la mejora de la precisión de los giroscopios MEMS y la miniaturización de los giroscopios láser de estado sólido) y la optimización de los algoritmos de fusión, el papel del INS en la conducción autónoma cobrará cada vez mayor importancia.
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