摘要

對于初次嘗試評估慣性檢測解決方案的人來說，現(xiàn)有的計(jì)算和I/O資源可能會限制數(shù)據(jù)速率和同步功能，進(jìn)而難以在現(xiàn)場合適地評估傳感器能力。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)算平臺循環(huán)速度可能很慢（低至10 Hz），而且這些平臺往往不支持傳感器數(shù)據(jù)更新產(chǎn)生中斷來及時獲取數(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。

簡介

PNT專家Dana Goward在近期的一篇社論中指出，如今社會極度依賴GPS提供的位置導(dǎo)航授時服務(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)航平臺開發(fā)人員必須快速評估新興技術(shù)，以便幫助應(yīng)對其當(dāng)前PNT策略的脆弱性。自動駕駛汽車(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添加慣性傳感器。對于初次使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性測量單元(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)場試驗(yàn)中，采樣速率和數(shù)據(jù)是否同步也會對最終系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)開發(fā)人員需依靠初步結(jié)果來評估開發(fā)過程中的長期需求時，相關(guān)影響更加顯著。因此，識別和優(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，用于測量物體在三個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傳感器的極性和軸線定義。

圖1.ADIS16576慣性參考系

自動駕駛地面車輛(AGV)用例

圖2為AGV主處理循環(huán)的簡化流程圖，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循環(huán)中添加一個讀取操作，以讀取ADIS16576 MEMS IMU的六個慣性傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2.AGV處理的簡化流程圖

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)。對于下一代產(chǎn)品，AGV操作員必須評估使用更多的傳感器，以應(yīng)對部分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，這對于第一批原型和初步現(xiàn)場試驗(yàn)來說可能不切實(shí)際。如何才能確保在初步現(xiàn)場試驗(yàn)中，更有效地評估MEMS IMU在這一特定用例中的價值？答案在于優(yōu)化“數(shù)據(jù)縮減”、“時間一致性”、“同步2”和“緩沖”這幾個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，一種簡單方法是以較低速率獲取數(shù)據(jù)。然而，這種方法可能會造成信號欠采樣，從而引入誤差。在進(jìn)行高動態(tài)運(yùn)動或處于復(fù)雜環(huán)境中時，由于AGV平臺主要依賴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）和信號鏈的帶寬，通常比大多數(shù)其他AGV檢測平臺要寬。因此，任何旨在降低慣性信號數(shù)據(jù)速率的策略，都需要考慮降低帶寬。

在MEMS IMU的信號鏈中應(yīng)用數(shù)字濾波，可以迅速解決這個問題。例如，將ADIS16576適配到圖2中的系統(tǒng)時，將其Bartlett FIR濾波器設(shè)置為每級64抽頭會使截止頻率降至約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個連續(xù)樣本時，其輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)會降至50 Hz。運(yùn)用這些濾波器時，應(yīng)確保數(shù)據(jù)寬度能夠支持相應(yīng)的位增長。在這個特定例子中，系統(tǒng)處理器需要為每個慣性傳感器獲取兩個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、串行時鐘頻率為8 MHz且通信開銷為4 μs時，通信序列時間將從24 μs增加到40 μs。

時間一致性

優(yōu)化數(shù)據(jù)速率和相關(guān)帶寬之后，下一個優(yōu)化重點(diǎn)在于確保IMU數(shù)據(jù)采樣與系統(tǒng)時鐘參考的時間一致性。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，ADIS16576使用內(nèi)部時鐘參考，這不可避免地會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，偶爾會讀取到過時的數(shù)據(jù)。當(dāng)IMU的ODR高于視頻同步頻率時，會丟失或錯過一些樣本。這種情況發(fā)生的頻率取決于各時鐘之間不匹配的程度。另一個局限性則是IMU數(shù)據(jù)的延遲，其延遲變化時間可達(dá)一個采樣周期(20 ms = 1/50 Hz)。

有兩種方法可以增強(qiáng)時間一致性。第一種方法是利用IMU的數(shù)據(jù)就緒信號觸發(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中斷的簡化AGV處理流程圖

同步

確保時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提供了兩個主要選項(xiàng)：直接式和比例式。對于圖2中的流程圖而言，比例同步模式較為合適。系統(tǒng)時鐘以50 Hz運(yùn)行，而此器件在4000 Hz時性能最佳，因此將時鐘比例設(shè)置為80倍。與片上濾波器結(jié)合使用時，結(jié)果仍為20 Hz帶寬和ODR，但相對于系統(tǒng)時鐘參考（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)的平臺進(jìn)行初步現(xiàn)場試驗(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，對于圖2中的示例，當(dāng)禁用ADIS16576中的所有板載濾波時，板載FIFO將在主循環(huán)的一個周期內(nèi)收集80個樣本。此配置下無需在IMU的信號鏈中使用濾波，因此系統(tǒng)可以使用16位數(shù)據(jù)格式來優(yōu)化通信時間。因此，當(dāng)8 MHz的串行時鐘且各16位通信段之間的停轉(zhuǎn)時間為6 μs時，AGV處理器能夠在不到4 ms的時間內(nèi)獲取所有六種慣性樣本的全部80個樣本。

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)此類升級之前，優(yōu)化現(xiàn)有數(shù)字特性可以幫助AGV開發(fā)人員評估其應(yīng)用場景，并最終針對其看重的目標(biāo)，制定切實(shí)可行的計(jì)劃。對于AV開發(fā)者而言，快速構(gòu)建與MEMS IMU響應(yīng)時間同步或相關(guān)的系統(tǒng)或模式是重要一步，將有助于他們應(yīng)對不斷擴(kuò)大的任務(wù)范圍，同時應(yīng)對現(xiàn)有PNT服務(wù)日益增長的威脅。

參考文獻(xiàn)

1 Dana Goward。“US 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。