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上一次的分享裡，我介紹了GPS的原理（三角定位）及特性（精度、頻率），同時也從無人車控制的角度，讨論了為什麼僅有GPS無法滿足無人車的定位要求。
為了能讓無人駕駛系統更高頻率地擷取定位資訊，就必須引入頻率更高的傳感器。這就是這一次内容的主角——IMU（Inertial Measurement Unit）慣性測量單元。
下圖就是百度Apollo計劃推薦使用的IMU——NovAtel SPAN-IGM-A1。
圖檔出處：github.com
GPS得到的經緯度資訊作為輸入信号傳入IMU，IMU再通過序列槽線與控制器相連接配接，以此擷取更高頻率的定位結果。
IMU的原理
當我們晚上回到家，發現家裡停電時，眼睛在黑暗中什麼都看不見的情況下，隻能根據自己的經驗，極為謹慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西（比如冰箱），用以确定自己所在的位置。
IMU的原理和黑暗中走小碎步很相似。
在黑暗中，由于自己對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數越來越多時，自己估計的位置與實際的位置相差會越來越遠。
就像下圖所示。
走第一步時，估計位置（黑人所在位置）與實際位置（白人所在位置）還比較接近；但随着步數增多，估計位置與實際位置的差别越來越大。
圖中的小人隻朝一個方向移動，是一維的。根據此方法推廣到三維，就是慣性測量單元的原理。
學術上的語言是：以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，将它對時間進行積分，且把它變換到導航坐标系中，就能夠得到在導航坐标系中的速度、偏航角和位置等資訊。
IMU的特性
小到每天使用的手機，大到飛彈、宇宙飛船都會使用到IMU，差別在于成本和精度。
根據不同的使用場景，對IMU的精度有不同的要求。精度高，也意味着成本高。
IMU的精度、價格和使用場景，如下圖所示。
從圖中可以看出，普通的消費級電子産品所使用到的IMU都是低精度且十分廉價的IMU，這種IMU普遍應用于手機、運動手表中。常用于記錄行走的步數。
而無人駕駛所使用到的IMU，價格從幾百塊到幾萬塊不等，取決于此無人駕駛汽車對定位精度的要求。
精度更高的IMU會用于飛彈或航天飛機。就以飛彈為例，從飛彈發射到擊中目标，宇航級的IMU可以達到極高精度的推算，誤差甚至可以小于一米。
除了精度和成本的特性外，IMU還有兩個十分關鍵的特性。其一是更新頻率高，工作頻率可以達到100Hz以上。其二是短時間内的推算精度高，不會有太大的誤差。
在上次有關GPS的分享中，我們提到GPS的定位頻率隻有10Hz，而IMU的兩個特性剛好可以彌補GPS的劣勢，和GPS組成定位的黃金搭檔。
黃金搭檔：GPS + IMU
回到最開始的故事。晚上回到家，發現家裡停電時，眼睛在黑暗中什麼都看不見的情況下，隻能根據自己的經驗，極為謹慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西（比如冰箱），用以确定自己所在的位置。
在這個過程中，GPS的作用就類似于摸到的東西之後對自己的位置進行的修正，IMU的作用就類似于小碎步，不對地對自己的位置進行推算。
不斷的修正和不斷的推算，就能保證自己的定位相對穩定。如下圖所示。
在無人駕駛系統中，GPS的更新頻率一般為10Hz，IMU的更新頻率一般為100Hz。
兩個傳感器共同工作時，可以給出頻率100Hz的定位輸出。下圖是兩傳感器資料融合的原理圖。
跑在控制器上的軟體對資訊的處理流程在時間次元上類似下圖。在0~100ms的周期中，使用IMU進行9次位置的估計，待新的GPS定位資料進來時，則進行修正，以此實作高頻率的定位結果輸出。
就這樣，GPS與IMU便相輔相成地實作了無人車的穩定定位。
有了100Hz的穩定定位，無人車在處理路徑跟随問題時，就能像下圖一樣，保持極高頻率的定位和控制。每走一小步，便重新進行方向盤轉角的計算，進而控制無人車沿着既定的軌道行駛。
小結
上面的分享用生活中簡單的例子介紹了IMU的基本原理，并對IMU的特性（精度、成本、頻率）進行了讨論，最後探讨了GPS如何與IMU配合完成無人車的定位功能。
解決了無人車的第一大問題“我在哪”，之後就要開始讨論“我要去哪”和“我怎麼去”的問題。
是以，在接下來的分享中，我會着重介紹感覺相關的傳感器（相機、雷射雷達等）。