摘要

對(duì)于初次嘗試評(píng)估慣性檢測(cè)解決方案的人來說，現(xiàn)有的計(jì)算和I/O資源可能會(huì)限制數(shù)據(jù)速率和同步功能，進(jìn)而難以在現(xiàn)場(chǎng)合適地評(píng)估傳感器能力。常見的挑戰(zhàn)包括如何以MEMS IMU所需的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集，從而充分發(fā)揮其性能并進(jìn)行有效的數(shù)字后處理。計(jì)算平臺(tái)循環(huán)速度可能很慢（低至10 Hz），而且這些平臺(tái)往往不支持傳感器數(shù)據(jù)更新產(chǎn)生中斷來及時(shí)獲取數(shù)據(jù)。本文介紹了系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用哪些技術(shù)，來解決控制系統(tǒng)慢速/異步計(jì)算循環(huán)與IMU傳感器高性能數(shù)據(jù)采集和處理(>1000 Hz)之間的矛盾。

簡(jiǎn)介

PNT專家Dana Goward在近期的一篇社論中指出，如今社會(huì)極度依賴GPS提供的位置導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)(PNT)1?，F(xiàn)有GPS/GNSS PNT服務(wù)面臨著一系列復(fù)雜威脅，眾多導(dǎo)航平臺(tái)開發(fā)人員必須快速評(píng)估新興技術(shù)，以便幫助應(yīng)對(duì)其當(dāng)前PNT策略的脆弱性。自動(dòng)駕駛汽車(AV)的制導(dǎo)與導(dǎo)航控制(GNC)系統(tǒng)就屬于這類技術(shù)，它必須能夠識(shí)別與PNT服務(wù)丟失或受損相關(guān)的一系列復(fù)雜威脅。

事實(shí)上，許多AV開發(fā)商和運(yùn)營商都面臨著多重挑戰(zhàn)，因此不得不開始考慮為其平臺(tái)添加慣性傳感器。對(duì)于初次使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性測(cè)量單元(IMU)的企業(yè)來說，要以充分發(fā)揮其性能的采樣速率來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步性可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。即使在早期原型設(shè)計(jì)和初步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，采樣速率和數(shù)據(jù)是否同步也會(huì)對(duì)最終系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)開發(fā)人員需依靠初步結(jié)果來評(píng)估開發(fā)過程中的長期需求時(shí)，相關(guān)影響更加顯著。因此，識(shí)別和優(yōu)化MEMS IMU的關(guān)鍵工作特性是首要步驟。

MEMS IMU

MEMS IMU通常包含三軸線性加速度計(jì)和三軸陀螺儀，用于測(cè)量物體在三個(gè)正交軸上的線性加速度和角速率。圖1說明了其慣性參考系以及每個(gè)傳感器的極性和軸線定義。

圖1.ADIS16576慣性參考系

自動(dòng)駕駛地面車輛(AGV)用例

圖2為AGV主處理循環(huán)的簡(jiǎn)化流程圖，該AGV利用視頻、車輪里程計(jì)和GPS實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航和跟蹤。虛線部分說明了如何在這個(gè)循環(huán)中添加一個(gè)讀取操作，以讀取ADIS16576 MEMS IMU的六個(gè)慣性傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2.AGV處理的簡(jiǎn)化流程圖

舉例來說，主循環(huán)以50 Hz的主循環(huán)速率從視頻和車輪里程表獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)以10 Hz的速率更新GPS/PNT數(shù)據(jù)。該AGV的第一代產(chǎn)品用于在空軍基地的建筑物之間提供基本的補(bǔ)給運(yùn)送服務(wù)。對(duì)于下一代產(chǎn)品，AGV操作員必須評(píng)估使用更多的傳感器，以應(yīng)對(duì)部分GPS中斷情況（例如只有兩顆GPS衛(wèi)星可用）。此外，產(chǎn)品需要升級(jí)到GNC，以保障其在復(fù)雜越野環(huán)境中的速度能提高一倍。ADIS16576 MEMS IMU是供評(píng)估的優(yōu)選產(chǎn)品。

MEMS IMU為了實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能和運(yùn)行狀態(tài)，需要一定的采樣速率，而目前循環(huán)更新速率與該采樣速率的差異高達(dá)80倍，如何彌合此差距是首要挑戰(zhàn)。提高GNC系統(tǒng)處理循環(huán)的速度需要進(jìn)行重大改動(dòng)，這對(duì)于第一批原型和初步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來說可能不切實(shí)際。如何才能確保在初步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，更有效地評(píng)估MEMS IMU在這一特定用例中的價(jià)值？答案在于優(yōu)化“數(shù)據(jù)縮減”、“時(shí)間一致性”、“同步2”和“緩沖”這幾個(gè)工作特性之間的合理搭配：

數(shù)據(jù)縮減

要降低數(shù)據(jù)速率，一種簡(jiǎn)單方法是以較低速率獲取數(shù)據(jù)。然而，這種方法可能會(huì)造成信號(hào)欠采樣，從而引入誤差。在進(jìn)行高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)或處于復(fù)雜環(huán)境中時(shí)，由于AGV平臺(tái)主要依賴MEMS IMU傳感器獲取信息來提供反饋，因此更容易出現(xiàn)誤差。MEMS IMU核心傳感器（加速度計(jì)、陀螺儀）和信號(hào)鏈的帶寬，通常比大多數(shù)其他AGV檢測(cè)平臺(tái)要寬。因此，任何旨在降低慣性信號(hào)數(shù)據(jù)速率的策略，都需要考慮降低帶寬。

在MEMS IMU的信號(hào)鏈中應(yīng)用數(shù)字濾波，可以迅速解決這個(gè)問題。例如，將ADIS16576適配到圖2中的系統(tǒng)時(shí)，將其Bartlett FIR濾波器設(shè)置為每級(jí)64抽頭會(huì)使截止頻率降至約20 Hz。將其抽取濾波器設(shè)置為每次數(shù)據(jù)更新平均需要80個(gè)連續(xù)樣本時(shí)，其輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)會(huì)降至50 Hz。運(yùn)用這些濾波器時(shí)，應(yīng)確保數(shù)據(jù)寬度能夠支持相應(yīng)的位增長。在這個(gè)特定例子中，系統(tǒng)處理器需要為每個(gè)慣性傳感器獲取兩個(gè)16位寄存器（總共32位）的數(shù)據(jù)。為了滿足32位慣性傳感器數(shù)據(jù)的要求，當(dāng)使用突發(fā)讀取命令、串行時(shí)鐘頻率為8 MHz且通信開銷為4 μs時(shí)，通信序列時(shí)間將從24 μs增加到40 μs。

時(shí)間一致性

優(yōu)化數(shù)據(jù)速率和相關(guān)帶寬之后，下一個(gè)優(yōu)化重點(diǎn)在于確保IMU數(shù)據(jù)采樣與系統(tǒng)時(shí)鐘參考的時(shí)間一致性。為了便于說明，我們將視頻同步頻率(50 Hz)定義為系統(tǒng)參考。以出廠默認(rèn)配置運(yùn)行時(shí)，ADIS16576使用內(nèi)部時(shí)鐘參考，這不可避免地會(huì)與視頻同步頻率存在一定程度的不匹配。當(dāng)IMU的ODR低于視頻同步頻率時(shí)，偶爾會(huì)讀取到過時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)IMU的ODR高于視頻同步頻率時(shí)，會(huì)丟失或錯(cuò)過一些樣本。這種情況發(fā)生的頻率取決于各時(shí)鐘之間不匹配的程度。另一個(gè)局限性則是IMU數(shù)據(jù)的延遲，其延遲變化時(shí)間可達(dá)一個(gè)采樣周期(20 ms = 1/50 Hz)。

有兩種方法可以增強(qiáng)時(shí)間一致性。第一種方法是利用IMU的數(shù)據(jù)就緒信號(hào)觸發(fā)IMU數(shù)據(jù)采集。圖3為在兩種不同操作后檢查IMU數(shù)據(jù)的流程圖。這種方法能夠解決數(shù)據(jù)樣本缺失的問題，確保以50 Hz的主循環(huán)速率來獲取時(shí)間一致的IMU數(shù)據(jù)流。此概念還可以擴(kuò)展到在GNC處理與視頻讀取的間隙，檢查IMU中是否有新數(shù)據(jù)。

圖3.使用IMU中斷的簡(jiǎn)化AGV處理流程圖

同步

確保時(shí)間一致性和精確延遲的另一種方法利用了MEMS IMU的外部同步特性。ADIS16576提供了兩個(gè)主要選項(xiàng)：直接式和比例式。對(duì)于圖2中的流程圖而言，比例同步模式較為合適。系統(tǒng)時(shí)鐘以50 Hz運(yùn)行，而此器件在4000 Hz時(shí)性能最佳，因此將時(shí)鐘比例設(shè)置為80倍。與片上濾波器結(jié)合使用時(shí)，結(jié)果仍為20 Hz帶寬和ODR，但相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)鐘參考（視頻同步頻率），延遲是固定的。

數(shù)據(jù)緩沖

如果非常需要最快采樣速率允許，但只能使用僅提供同步數(shù)據(jù)通信服務(wù)的平臺(tái)進(jìn)行初步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)很有幫助。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，系統(tǒng)架構(gòu)師可以在選擇IMU時(shí)明確要求其具備數(shù)據(jù)緩沖功能，或?qū)MU與共置的嵌入式處理器搭配使用。

同樣，對(duì)于圖2中的示例，當(dāng)禁用ADIS16576中的所有板載濾波時(shí)，板載FIFO將在主循環(huán)的一個(gè)周期內(nèi)收集80個(gè)樣本。此配置下無需在IMU的信號(hào)鏈中使用濾波，因此系統(tǒng)可以使用16位數(shù)據(jù)格式來優(yōu)化通信時(shí)間。因此，當(dāng)8 MHz的串行時(shí)鐘且各16位通信段之間的停轉(zhuǎn)時(shí)間為6 μs時(shí)，AGV處理器能夠在不到4 ms的時(shí)間內(nèi)獲取所有六種慣性樣本的全部80個(gè)樣本。

結(jié)論

為了充分利用MEMS IMU的性能，系統(tǒng)架構(gòu)可能需要進(jìn)行重大調(diào)整。在投入大量資源推進(jìn)此類升級(jí)之前，優(yōu)化現(xiàn)有數(shù)字特性可以幫助AGV開發(fā)人員評(píng)估其應(yīng)用場(chǎng)景，并最終針對(duì)其看重的目標(biāo)，制定切實(shí)可行的計(jì)劃。對(duì)于AV開發(fā)者而言，快速構(gòu)建與MEMS IMU響應(yīng)時(shí)間同步或相關(guān)的系統(tǒng)或模式是重要一步，將有助于他們應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)大的任務(wù)范圍，同時(shí)應(yīng)對(duì)現(xiàn)有PNT服務(wù)日益增長的威脅。

參考文獻(xiàn)

1 Dana Goward?！癠S Dangerously Behind, PNT Leadership Needed”。GPS World，2024年7月。

2 Mark Looney?！癝ynchronizing MEMS IMUs with GPS in Autonomous Vehicles”。Inside GNSS，2024年5月。