自动驾驶定位技术之惯性导航

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今天我们接着聊聊自动驾驶定位技术最常用来与GPS组合的惯性导航。

说到惯性导航，不得不提牛顿，牛顿对惯性导航的贡献巨大。

因为惯性导航里用到的两个重要的理论都与牛顿有着密不可分的联系：牛顿第二定律和微积分。

牛顿第二定律告诉我们：

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行程（带方向的位移）与时间的关系也显而易见：

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这样就将行程与加速度联系在一起了：

。

行程和速度通常都不能直接测量，但加速度可以通过加速度计测量，只要有加速度，就能知道每时每刻的行程了。

我们现实世界是三维立体空间，只有加速度我们只能得出行程，而不能得到其姿态，所以我们还需要一个测量角度加速度的传感器——陀螺仪。

关于陀螺仪的发明，牛顿也是功不可没，当年他研究的高速旋转刚体的力学问题为后人发明陀螺仪提供了理论依据。

惯性导航是怎么定位的

惯性导航属于一种航迹推算的导航方式，也就是根据已知点的位置信息、测得的载体的加速度、角速度推算出这个载体下一个位置信息。

加速度计与陀螺仪，就是惯性导航的惯性测量核心元件。一个惯性导航需要配置三个加速度计和三个陀螺仪。

陀螺仪形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在这个坐标系中，并且测量载体的角速度。

加速度计测量载体的加速度，根据牛二定律，对时间二次积分就可以得到运动的行程。

根据测量得到的瞬时变量再经过一系列的运算，就可以计算出载体位置信息了。

惯性导航的优势

自主

不管是卫星导航，还是无线电导航，都受限于外源信息。例如，GPS的卫星不可用，无线电导航系统的导航台失效，那么这些导航系统将完全瘫痪。

惯性导航用于计算的初始数据都来自自身测量元件，既不受外界干扰影响，也不向外辐射能力，更不用借助其他外部设备。

连续

其他的导航，如我们最熟悉的GPS，定位时得到的信息是路径上的点的信息，而惯性导航的定位是连续的曲线。

除了这两个显著优势之外，惯性导航还可以全天候、全时间地工作在空中、地表下、水下等特点。

惯性导航的局限

完美的系统是不存在的。

相比于其他导航系统，惯性导航有一个非常大的缺点：误差随时间增大。

惯性导航的导航信息是经过积分得到，加上采样频率很高（一秒内几百次），累加起来的误差会随时间而增大，长时间使用惯导会导致误差很大。

GPS与惯性导航组合的取长补短

GPS与惯导都是全球、全天候、全时间的导航设备，都能提供十分完全的导航数据，这两者的组合不仅能互补优势还能消除各自的缺点，所以 GPS/IMU组合导航在不限于自动驾驶的各个领域得到了广泛应用。