摘要：自動(dòng)駕駛需要精確定位信息來(lái)規(guī)劃控制策略，定位精度不足會(huì)影響自動(dòng)駕駛車輛的有效運(yùn)行和安全性。通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)及慣性測(cè)量單元（IMU）導(dǎo)航技術(shù)等測(cè)試方案，采用RT 3000 V4衛(wèi)導(dǎo)-慣導(dǎo)組合定位系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的融合感知定位精度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：在開放環(huán)境下，自動(dòng)駕駛車輛的融合感知定位結(jié)果與RT 3000 V4定位結(jié)果相比，其誤差在6 cm以內(nèi)；而在城市道路環(huán)境下，兩者定位誤差超過(guò)15 cm。雖然運(yùn)用GNSS技術(shù)、RTK技術(shù)及IMU技術(shù)可以減少城市道路環(huán)境中的多路徑和非視距問(wèn)題，但自動(dòng)駕駛車輛的融合感知定位與RT 3000 V4的定位誤差在測(cè)試過(guò)程中多次超過(guò)10 cm。經(jīng)分析，城市道路周圍復(fù)雜環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程中的衛(wèi)星質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)RTK移動(dòng)基站穩(wěn)定性、移動(dòng)站數(shù)量和數(shù)據(jù)同步性有所影響，同時(shí)會(huì)降低RT 3000 V4的測(cè)試精度，從而有可能影響自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ坏木取?/p>

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛；融合感知定位；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

0 前言

定位感知是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的基本要求之一。自動(dòng)駕駛的融合感知定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其高精度和高可靠性的重要手段。該技術(shù)通過(guò)綜合處理多種傳感器的數(shù)據(jù)，獲得更全面、準(zhǔn)確的環(huán)境信息，從而提高車輛的定位精度和可靠性。多傳感器融合定位技術(shù)在自動(dòng)駕駛中扮演至關(guān)重要的角色[1]。通過(guò)整合全球定位系統(tǒng)（GPS）和其他傳感器（如激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等）的信息，克服了單一傳感器的局限性，提升了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在全球定位中發(fā)揮著不可替代的作用。在開放環(huán)境下，基于載波相位差分的GNSS定位技術(shù)，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度[2-3]。然而，作為一種基于到達(dá)時(shí)間的定位技術(shù)，GNSS-RTK在城市環(huán)境中應(yīng)用時(shí)容易受到信號(hào)反射和阻塞的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)多路徑和非視距問(wèn)題，進(jìn)而使定位結(jié)果不夠準(zhǔn)確，甚至可能出現(xiàn)大于10 m的定位誤差。換而言之，雖然GNSS-RTK定位技術(shù)對(duì)于提供全球參考定位非常重要，但在城市、峽谷等復(fù)雜環(huán)境下，其精度并不能得到保證[4]。

為了克服上述這些挑戰(zhàn)，將GNSS與慣性測(cè)量單元（IMU）進(jìn)行融合的課題已被廣泛研究。為了能夠在復(fù)雜城市道路場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)GNSS與IMU的融合，需要減輕GNSS因解算異常造成的性能下降，校準(zhǔn)IMU并在集成過(guò)程中及時(shí)限制GNSS中斷期間IMU產(chǎn)生的偏差[5]。本文通過(guò)GNSSRTK+IMU融合系統(tǒng)的技術(shù)測(cè)試方案，采用RT 3000 V4衛(wèi)導(dǎo)-慣導(dǎo)組合定位系統(tǒng)和移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)差分（NTU）組合模式，增加SENMT 1輪速計(jì)，在開放場(chǎng)景和城市道路場(chǎng)景下分別進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車融合感知定位精度的測(cè)試。

1 測(cè)試原理

為了準(zhǔn)確測(cè)試自動(dòng)駕駛車輛GPS和激光雷達(dá)（LiDAR）融合感知定位精度，本次測(cè)試采用RT 3000 V4來(lái)測(cè)量自動(dòng)駕駛車輛GPS和多傳感器的融合感知定位精度。

RT 3000 V4主要由GNSS和IMU兩部分組成，通過(guò)先進(jìn)的融合濾波算法，集成和融合GNSS和IMU的輸出，以提供高精度、高可靠度的定位信息和姿態(tài)信息。目前，RT 3000 V4支持全球主流的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括GPS、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）等4種定位系統(tǒng)，極大提升了RT 3000 V4的GNSS接收機(jī)的信號(hào)接收和快速鎖定的能力，提升了定位的可靠性，從而能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的道路環(huán)境。

GNSS接收器包含天線和接收器兩部分，其中天線是接收衛(wèi)星信號(hào)，而接收器則將接收到的信息轉(zhuǎn)化為如經(jīng)緯度的測(cè)量結(jié)果。GNSS定位原理是基于三邊測(cè)量原理，通過(guò)與至少4顆衛(wèi)星通信來(lái)確定位置。

由于大氣電離層干擾，偽距測(cè)量的定位精度只能達(dá)到分米級(jí)，甚至米級(jí)。為提升到厘米級(jí)的定位精度，需要通過(guò)RTK技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。RTK技術(shù)是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的組合系統(tǒng)基于載波相位觀測(cè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，通過(guò)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站數(shù)據(jù)的差分處理，實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)定位結(jié)果。其測(cè)試原理是基準(zhǔn)站與車上的RT 3000 V4兩者同時(shí)接收同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，接著基準(zhǔn)站將觀測(cè)值與其已知位置進(jìn)行比較得到差分修正值，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將修正值實(shí)時(shí)傳遞給RT 3000 V4，最后經(jīng)差分修正后RT 3000 V4獲得厘米級(jí)的實(shí)時(shí)位置，如圖1所示。

自動(dòng)駕駛車輛通過(guò)車載GNSS接收機(jī)接收信號(hào)，比較基準(zhǔn)站接收的衛(wèi)星信號(hào)做差分處理得到高精度定位。GNSS+RTK的混合系統(tǒng)易于使用，不會(huì)漂移并且準(zhǔn)確度高。RT 3000 V4的另一個(gè)組成部分是IMU，其由陀螺儀、加速度計(jì)等慣性傳感器和導(dǎo)航解算系統(tǒng)集成而成，通過(guò)3組陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量3個(gè)自由度的角加速度和加速度，再通過(guò)積分運(yùn)算獲得物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。

RT 3000 V4通過(guò)與GNNS、RTK及IMU相結(jié)合，可以解決單一GNSS在遮擋區(qū)域衛(wèi)星少或信號(hào)丟失導(dǎo)致的定位數(shù)據(jù)精度差的問(wèn)題，也解決了IMU的漂移問(wèn)題，可測(cè)量俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角等姿態(tài)數(shù)據(jù)，保證RT 3000 V4的高定位精度。

RT 3000 V4還可組合增加輪速計(jì)[7]，提高系統(tǒng)的定位精度。輪速計(jì)通過(guò)測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算車輛的行駛速度和里程，并可提供連續(xù)的速度信息，即使在GNSS信號(hào)中斷或弱信號(hào)區(qū)域，也能保證定位數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。輪速計(jì)的速度信息與GNSS和IMU數(shù)據(jù)融合，可以進(jìn)一步減少由于環(huán)境干擾導(dǎo)致的定位誤差，提高整體系統(tǒng)的魯棒性和精度[8]。

2 測(cè)試方法

為了測(cè)試自動(dòng)駕駛車輛的融合感知定位精度，采用RT 3000 V4和移動(dòng)基站（網(wǎng)絡(luò)差分NTU）模式，在開放環(huán)境和城市道路環(huán)境中測(cè)試融合感知定位精度。為了減少環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，增加了輪速計(jì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2. 1 測(cè)試設(shè)備的安裝和調(diào)節(jié)

2. 1. 1 設(shè)備安裝

RT 3000 V4和GNSS天線需安裝到測(cè)試車輛上。將RT 3000 V4牢靠固定在車輛地板、車輛中軸線且靠近后軸中心的位置，如圖2所示。另外，在安裝RT 3000 V4時(shí)應(yīng)盡量保證其坐標(biāo)系與車輛坐標(biāo)系的軸向一致。同理，將GNSS天線放置在車頂、車輛中軸線且靠近后軸中心的位置。

2. 1. 2 配置RT 3000 V4

首先，配置RT 3000 V4本體坐標(biāo)系與車輛坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，將RT 3000 V4測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為車輛坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)；其次，配置GNSS天線與RT 3000 V4本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，以方便將RT 3000 V4的定位數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)從GNSS天線位置轉(zhuǎn)換為RT 3000 V4坐標(biāo)原點(diǎn)；最后，設(shè)置GNSS差分為NTRIP模式，接收千尋服務(wù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)，可將RT 3000 V4定位精度提高到2 cm內(nèi)。將RT 3000 V4定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到后軸中心點(diǎn)進(jìn)行位移輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車輛感知融合數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行測(cè)量和分析。

2. 1. 3 系統(tǒng)初始化與熱機(jī)

直線加速至設(shè)定的初始化速度閾值，完成初始化。為防止航向偏移和滑移角偏移，確保盡可能直線行駛。迅速完成15 min熱機(jī)，這可以讓RT 3000 V4自行計(jì)算并修正GNSS天線角度和RT 3000 V4的角度偏差，從而提升RT 3000 V4整體衛(wèi)導(dǎo)和慣導(dǎo)的精度。通過(guò)熱機(jī)后的監(jiān)控模板可以清楚觀測(cè)到定位精度指標(biāo)。

2. 2 測(cè)試過(guò)程

試驗(yàn)分別在開放環(huán)境和城市道路環(huán)境兩種場(chǎng)景下進(jìn)行，其中開放環(huán)境為無(wú)障礙的開放場(chǎng)景，城市道路環(huán)境則為包括樹木及高樓的復(fù)雜場(chǎng)景。在確認(rèn)RT 3000 V4定位數(shù)據(jù)和融合感知定位數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘同步和空間同步后，被測(cè)車輛開啟自動(dòng)駕駛模式，在指定路線上行駛，記錄RT 3000 V4定位數(shù)據(jù)和融合感知定位數(shù)據(jù)，記錄車輛實(shí)時(shí)輸出時(shí)間信息及相應(yīng)的經(jīng)緯度信息，輸出頻率為100 Hz。車輛行駛時(shí)間大于2 min，車輛行駛距離大于1 km。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證測(cè)試工作環(huán)境對(duì)自動(dòng)駕駛車輛融合感知定位系統(tǒng)精度的影響，試驗(yàn)分別在開放環(huán)境和城市道路環(huán)境中進(jìn)行。另外，為了減少環(huán)境對(duì)參考真值的測(cè)量影響，為RT 3000 V4增加了輪速計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。表1為試驗(yàn)在不同測(cè)試場(chǎng)景下的匯總情況，圖3為不同測(cè)試場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ幌到y(tǒng)的定位誤差曲線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論RT 3000 V4是否使用輪速計(jì)，在開放場(chǎng)景下自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ幌到y(tǒng)與RT 3000 V4的定位誤差都可控制在6 cm以內(nèi)，但在城市道路下兩者定位誤差的最大值超過(guò)15 cm。這表明在城市道路場(chǎng)景，尤其是存在樹木和高樓等復(fù)雜測(cè)試場(chǎng)景的環(huán)境下，自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ幌到y(tǒng)的定位誤差偏大。

試驗(yàn)結(jié)果也表明，自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ豢梢詫鹘y(tǒng)的GPS定位由米級(jí)精度提升到厘米級(jí)精度。與此同時(shí)，在一定程度上，自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ幌到y(tǒng)會(huì)受到復(fù)雜工作環(huán)境的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用融合了GNSS、RTK及IMU技術(shù)的RT 3000 V4衛(wèi)導(dǎo)-慣導(dǎo)組合定位系統(tǒng)，并對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的融合感知定位精度進(jìn)行了測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可以看出，無(wú)論RT 3000 V4是否使用輪速計(jì)，相較于周邊存在大型建筑物的復(fù)雜城市道路場(chǎng)景，自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ幌到y(tǒng)在開放道路測(cè)試場(chǎng)景下都擁有更高的定位精度。雖然GNSS、RTK及IMU技術(shù)在驗(yàn)證測(cè)試自動(dòng)駕駛?cè)诤细兄ㄎ痪确矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)，但是在城市道路復(fù)雜環(huán)境下，仍然需要進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)RTK基站穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)同步性的優(yōu)化工作。

下一步研究工作的重點(diǎn)在于優(yōu)化GNSS+ RTK+IMU等技術(shù)的融合，采用更先進(jìn)的多傳感器融合技術(shù)，提高測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性和定位精度，提升測(cè)試系統(tǒng)在各種環(huán)境下的高精度和高可靠性。此外，還應(yīng)重點(diǎn)研究如何在城市道路復(fù)雜的條件下減少環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的干擾。

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