Повышение безопасности беспилотных автомобилей с помощью датчиков положения

Многие современные автомобили оснащаются различными передовыми системами помощи водителю: сигнализацией смены полосы движения, устройствами помощи при парковке и автоторможения. Безусловно, все эти технологии очень полезны, но они все еще требуют постоянного участия водителя. Главный вопрос заключается в том, когда можно будет увидеть полностью автономные автомобили?

К сожалению, до широкого признания, принятия и распространения технологий беспилотных автомобилей еще далеко. Критической проблемой сейчас является обеспечение безопасности пассажиров.

Для перехода к полностью автоматическому управлению автомобилем необходима абсолютная уверенность в том, что он будет безопасно и точно работать в любых погодных и дорожных условиях, а пассажиры и пешеходы не получат травм. Обеспечить это сможет встроенная технология наведения и навигации — даже в случае отказа оборудования для позиционирования (камер, устройств LiDAR или радаров), а также нарушения сигнала спутниковой системы навигации из-за погодных условий или рельефа местности.

Система обнаружения безопасной остановки

Эта технология представляет собой датчик инерциального измерительного блока (inertial measurement unit, IMU). Принцип действия IMU-датчика основан на физических законах гравитации, а не на внешних условиях, поэтому он способен продолжать передавать данные для поддержания транспортным средством заданного курса до тех пор, пока оно не сможет безопасно остановиться или пока другие навигационные системы не начнут снова функционировать. Помимо условий окружающей среды, на устройства не оказывают негативное влияние и физические препятствия, такие как туннели или опадающая листва. Устраняя риск прерывания передачи данных позиционирования и повышая безопасность эксплуатации (рис. 1), IMU-датчики приближают реализацию полностью автономных автомобилей.

Рис. 1. Влияние окружающей среды на производительность средств позиционирования

Более того, на наш взгляд, без таких датчиков автономные транспортные средства никогда не смогут эффективно работать на городских улицах и автомагистралях.

Устройство IMU-датчика

Большинство IMU-датчиков состоит из двух наборов сенсоров — акселерометров и гироскопических устройств. Акселерометры измеряют линейное ускорение по трем ортогональным осям. Интегрирование ускорения по времени позволяет задавать скорость, а интегрирование скорости по времени приводит к изменению положения.

Гироскопические компоненты измеряют угловую скорость, основываясь также на трех ортогональных осях. Интегрирование угловой скорости во всех трех осях по времени приводит к изменению крена, тангажа и отклонения, то есть изменению положения объекта.

IMU-модуль с таким набором компонентов может обеспечивать измерение с шестью степенями свободы, по трем осям движения (вперед/назад, влево/вправо, вверх/вниз) и по трем осям вращения (тангаж, крен и отклонение) (рис. 2).

Рис. 2. Возможности измерения для IMU-датчика

В некоторые IMU-датчики дополнительно устанавливают магнитометр. Дело в том, что акселерометр позволяет осуществлять успешное вычисление значений крена и тангажа относительно силы притяжения Земли и корректировать смещение гироскопом, но не может быть использован для определения абсолютного курса (отклонения), поскольку изменение отклонения ортогонально вектору силы тяжести. Магнитометр измеряет напряженность магнитного поля в трех измерениях. Используя магнитное поле Земли, это устройство помогает вычислить курс (т. е. отклонение), а также уточнить крен и тангаж объекта.

Интеграция магнитометра в IMU-датчик помогает определить начальный курс объекта и исправить ошибки интегрирования у гироскопа при выполнении алгоритмов определения отклонения.

Тройное резервирование IMU

Нестабильность смещения является одним из наиболее важных рабочих параметров гироскопа. Она показывает, насколько сильно смещается гироскоп в течение времени. Поскольку выходные данные скорости гироскопа предварительно интегрируются для вычисления изменения углов (крена, тангажа и отклонения), любая возникающая погрешность накапливается в относительных углах, что со временем приводит к ошибкам определения местоположения. Высоко­производительный IMU является необходимым компонентом автономного транспортного средства для достижения высокой точности позиционирования.

В IMU с тройным резервированием (рис. 3) используются три независимых датчика IMU, которые обеспечивают дополнительные уровни надежности и точности. Если по какой-то причине один или несколько датчиков работают неточно, система может распознавать дефектные данные и отказываться от использования таких устройств. Выходной сигнал неисправного датчика или ошибочный набор данных будет проигнорирован или понижен по значимости. Такая архитектура обеспечивает надежность системы и одновременно повышает производительность.

Рис. 3. Датчик IMU с тройным резервированием Aceinna

Датчики IMU не привлекают такого внимания СМИ, как другие компоненты, например устройства LiDAR или камеры. Однако во многих отношениях они являются критически важным компонентом безопасности, необходимым для успешной работы транспортных средств высокого уровня, которые могут появиться на улицах в ближайшие десять лет.