高階輔助駕駛，為什么離不開(kāi)IMU?

不知道大家注意到?jīng)]有：有時(shí)候，當(dāng)我們開(kāi)車進(jìn)入隧道或地下車庫(kù)，明明已經(jīng)衛(wèi)星信號(hào)全無(wú)，導(dǎo)航卻依然能準(zhǔn)確顯示車輛位置、行駛方向甚至速度。

這是為什么呢？雖然汽車也有自己的雷達(dá)、攝像頭，但它們主要用于環(huán)境感知與障礙識(shí)別，應(yīng)該無(wú)法定位自己的絕對(duì)位置呀？

沒(méi)錯(cuò)，汽車之所以能夠做到“無(wú)衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)航”，大概率就是因?yàn)槠噧?nèi)置了一個(gè)神秘組件，也就是我們文章標(biāo)題里提到的——IMU。

最近這幾年，很多媒體報(bào)道中都會(huì)頻繁提到“IMU”這個(gè)詞。那么，它到底是個(gè)什么“神器”呢？為什么能做到“無(wú)衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)航”？它和衛(wèi)星導(dǎo)航定位，究竟有什么區(qū)別？

█IMU的場(chǎng)景與價(jià)值

IMU，全名叫做Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元。它是一種能夠測(cè)量物體三軸姿態(tài)角及加速度的電子設(shè)備，通常用于交通導(dǎo)航、姿態(tài)控制以及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

在我們?nèi)缃袼幍臄?shù)字時(shí)代，IMU的重要性日益凸顯。

我們每天都需要出行。而汽車，是目前最主要的出行工具之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，城市變得越來(lái)越龐大，城市道路交通也變得越來(lái)越復(fù)雜。哪怕是再厲害的司機(jī)，也需要借助導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)確認(rèn)方向、規(guī)劃路線、規(guī)避擁堵。

眾所周知，導(dǎo)航系統(tǒng)背后的支撐技術(shù)，主要是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），比如我們熟悉的GPS、北斗。我們還會(huì)借助RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分）技術(shù)，來(lái)輔助提升GNSS的定位精度。

但是，我們的實(shí)際路況，是非常復(fù)雜且多變的。例如會(huì)遇到大量的隧道、地下車庫(kù)、高架橋、城市峽谷（兩側(cè)高樓林立的狹窄街道），衛(wèi)星定位信號(hào)會(huì)被遮蔽，導(dǎo)致車輛瞬間失去精準(zhǔn)定位。

有時(shí)候，遇到電磁環(huán)境干擾，或者惡劣天氣（雨雪、濃霧、強(qiáng)光弱光等），也會(huì)出現(xiàn)定位“失聯(lián)”的窘境。

遇到這種情況，司機(jī)就會(huì)非常焦慮，生怕開(kāi)錯(cuò)方向、錯(cuò)過(guò)路口。

此時(shí)，IMU的作用和價(jià)值，就體現(xiàn)出來(lái)了。

IMU的最大特點(diǎn)，是它屬于內(nèi)生定位，完全不依賴任何外部信號(hào)。在沒(méi)有衛(wèi)星信號(hào)、沒(méi)有RTK的情況下，IMU仍然能夠憑借自主感知，持續(xù)輸出車輛的位置、速度、姿態(tài)與航向信息，穩(wěn)穩(wěn)托住導(dǎo)航系統(tǒng)的底線。

這能夠給司機(jī)帶來(lái)極大的安全感與掌控感，降低駕駛焦慮和操作遲疑，也減少了風(fēng)險(xiǎn)。

●智能駕駛

相比于傳統(tǒng)駕駛，IMU對(duì)于高階輔助駕駛的意義，就更為重大。

畢竟，人類司機(jī)還能靠經(jīng)驗(yàn)、路標(biāo)甚至直覺(jué)“蒙”一把。可高階輔助駕駛（尤其是L4級(jí)高階輔助駕駛）一旦失去定位，就像蒙著眼睛高速開(kāi)車，后果不堪設(shè)想。

最近這些年，輔助駕駛的發(fā)展速度極為迅猛，逐漸邁向高階化、全域化。這意味著，智駕也需要面對(duì)各種復(fù)雜的、無(wú)衛(wèi)星信號(hào)的極限場(chǎng)景。此時(shí)，IMU就變成了智駕最可靠、最不可替代的定位基石，也是保障安全的最后一道防線。

有一句話說(shuō)得很對(duì)：“RTK決定了智駕的上限，而IMU決定了智駕的底線。”

沒(méi)有 IMU，高階智駕在信號(hào)盲區(qū)將失去基本的安全保障。而有了IMU，即便 RTK、激光雷達(dá)、視覺(jué)感知同時(shí)受限，它仍能獨(dú)立輸出六自由度姿態(tài)，讓車輛知道 “我在哪、我往哪去、我姿態(tài)如何”。

IMU和“GNSS+RTK”并不是替代關(guān)系，而是深度互補(bǔ)。當(dāng)信號(hào)良好時(shí)，“GNSS+RTK”提供厘米級(jí)絕對(duì)定位，校準(zhǔn)IMU漂移。當(dāng)信號(hào)缺失時(shí)，IMU挺身而出，接管核心定位功能，保持系統(tǒng)連續(xù)不中斷。

隨著智駕從L2 +向L3/L4演進(jìn)，定位連續(xù)性已成硬性指標(biāo)。IMU不再是 “輔助配件”，而是必須標(biāo)配的核心器件。針對(duì)隧道、匝道、復(fù)雜路口、地庫(kù)、自動(dòng)停車、循跡倒車等場(chǎng)景，IMU都可以發(fā)揮不可或缺的作用。

●人形機(jī)器人

除了智駕之外，IMU的另一個(gè)潛在應(yīng)用場(chǎng)景，是人形機(jī)器人。作為具身智能的一個(gè)重要應(yīng)用方向，人形機(jī)器人這幾年同樣發(fā)展迅猛，吸引了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，比汽車更加復(fù)雜。它需要時(shí)刻保持姿態(tài)平衡，需要對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靈活控制，也需要自主導(dǎo)航。所有這些任務(wù)，都高度依賴IMU。

此時(shí)，IMU便成了它的“電子內(nèi)耳”和“電子前庭”。IMU這么一個(gè)微小的硅基器件，賦予了人形機(jī)器人感知自身運(yùn)動(dòng)與空間方位的能力。

IMU輸出的姿態(tài)角與角速度，是算法判斷“是否要摔倒”“該抬哪條腿”“往左偏了多少度”的原始依據(jù)。沒(méi)有它，人形機(jī)器人就失去了對(duì)自身物理存在的基本覺(jué)知。

人類如果失去前庭系統(tǒng)，會(huì)瞬間暈眩失衡。人形機(jī)器人如果缺失IMU，會(huì)導(dǎo)致步態(tài)紊亂、關(guān)節(jié)過(guò)載甚至跌倒。

█IMU的商業(yè)化產(chǎn)品

IMU具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景，也吸引了很多廠商競(jìng)相布局。國(guó)內(nèi)知名物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案供應(yīng)商移遠(yuǎn)通信，就是其中最具代表性的企業(yè)之一。

移遠(yuǎn)通信推出的LUA300C/LUA501RA系列IMU模組，采用國(guó)際主流廠商尖端芯片，結(jié)合自主研發(fā)的算法以及完善的生產(chǎn)和測(cè)試工藝，以高精度、低功耗、車規(guī)級(jí)可靠性著稱。

移遠(yuǎn)通信LUA300C IMU模組

IMU的優(yōu)點(diǎn)是不依賴外部信號(hào)，能在無(wú)GNSS的環(huán)境中獨(dú)立完成航位推算。但是，它是基于感知和算法來(lái)確定狀態(tài)的工具，長(zhǎng)時(shí)間積分計(jì)算會(huì)帶來(lái)誤差累積——加速度計(jì)的微小零偏經(jīng)時(shí)間平方放大，陀螺儀的角隨機(jī)游走則導(dǎo)致姿態(tài)角持續(xù)漂移。

IMU輸出值誤差包括確定性誤差和隨機(jī)性誤差。對(duì)于高速行駛的車輛來(lái)說(shuō)，誤差會(huì)帶來(lái)空間位置判斷的偏移，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，是需要極力避免和嚴(yán)格控制的。

一款優(yōu)秀的IMU產(chǎn)品，必須在系統(tǒng)誤差的建模與參數(shù)標(biāo)定、隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)特性分析與建模、初始化時(shí)自主或外協(xié)取得較為精確的載體姿態(tài)初始值、動(dòng)態(tài)累積過(guò)程中的誤差修正與反饋等各個(gè)方面，進(jìn)行充分考量和設(shè)計(jì)。

這不僅關(guān)乎研發(fā)團(tuán)隊(duì)的算法能力，也對(duì)生產(chǎn)和測(cè)試硬件環(huán)境及設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)化流程提出了極高要求。

移遠(yuǎn)通信在SMT、產(chǎn)品組裝、校準(zhǔn)標(biāo)定、算法處理到環(huán)境控制的全流程進(jìn)行嚴(yán)格控制和管理，確保每顆芯片在全生命周期內(nèi)保持亞度級(jí)姿態(tài)精度與毫秒級(jí)響應(yīng)一致性。

在測(cè)試方面，移遠(yuǎn)通信自研標(biāo)定測(cè)試夾具和標(biāo)定測(cè)試方案，支持全溫域標(biāo)定、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)。其標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室配備高精度六軸轉(zhuǎn)臺(tái)與恒溫環(huán)境艙，可模擬全場(chǎng)景工況，確保模組在-40℃至105℃寬溫、強(qiáng)振動(dòng)、電磁干擾環(huán)境下保持穩(wěn)定。此外，所有測(cè)試標(biāo)定數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，可追溯。生產(chǎn)狀態(tài)也實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控。

在算法方面，移遠(yuǎn)通信自研IMU標(biāo)定補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了每片模組獨(dú)立標(biāo)定。移遠(yuǎn)通信不僅采用卡爾曼濾波與自適應(yīng)噪聲調(diào)節(jié)技術(shù)抑制隨機(jī)誤差，更創(chuàng)新引入基于AI深度學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)零偏建模方法，在車輛急剎、轉(zhuǎn)彎、顛簸等復(fù)雜工況下實(shí)時(shí)辨識(shí)并補(bǔ)償陀螺儀與加速度計(jì)的非線性溫漂與安裝誤差。

在質(zhì)量控制方面，移遠(yuǎn)通信建立了覆蓋芯片篩選、模組裝配、全流程老化篩選、出廠前全參數(shù)測(cè)試的多級(jí)質(zhì)量管控體系。每顆IMU在交付前均需通過(guò)數(shù)千小時(shí)高溫高濕加速壽命試驗(yàn)、數(shù)千次冷熱沖擊循環(huán)及隨機(jī)振動(dòng)譜模擬驗(yàn)證。移遠(yuǎn)通信的軟件多項(xiàng)防呆機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)過(guò)程質(zhì)量控制。

移遠(yuǎn)LUA300C/LUA501RA系列IMU模組產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足ISO 26262 ASIL-B等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了高頻可靠、功能安全、全溫標(biāo)定。產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，都在同類產(chǎn)品中位于前列。

以LUA300C為例，陀螺儀的零偏不穩(wěn)定性（Allan）為2°/h，全溫零偏（10s平滑，1σ）為0.02°/s，全溫零偏峰峰值士0.07°/s，標(biāo)度因子誤差（@25℃）為0.02%。

在體積和功耗方面，LUA300C采用緊湊型設(shè)計(jì)，尺寸為18.4mm×10mm×11.1mm，功耗低至214.5 mW（典型值），在保障極致性能的同時(shí)顯著降低系統(tǒng)散熱壓力與硬件布局難度，進(jìn)一步提升整車電子架構(gòu)的可靠性與空間利用率。

目前，移遠(yuǎn)的IMU模組年產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到100萬(wàn)pcs，已在多家頭部智駕方案商和人形機(jī)器人公司的量產(chǎn)項(xiàng)目中落地驗(yàn)證，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)極快。

█結(jié)語(yǔ)

人類社會(huì)正在加速邁入數(shù)智時(shí)代。以智能駕駛、人形機(jī)器人為代表的高階智能體，正以前所未有的深度融入物理世界。IMU作為智能體的“重要器官”，將扮演越來(lái)越重要的角色，也具有非常廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

未來(lái)，IMU將更加智能化、小型化和低功耗化。新型材料和制造工藝的應(yīng)用，前沿算法的引入，將進(jìn)一步提升IMU的精度和可靠性，推動(dòng)IMU在更多領(lǐng)域的普及和應(yīng)用。

期待IMU能迎來(lái)更多技術(shù)創(chuàng)新，真正成為智能體運(yùn)動(dòng)感知的基石。