特斯拉FSD系统进入国内,表现不尽如意,两个最明显的缺点:一是红绿灯检测不到位,无视临时红绿灯;二是经常走错车道。基本上一天下来,一本驾照都不够扣。有人说多给点时间,特斯拉FSD系统就能好起来。这个未必,特斯拉FSD走错车道的原因不是软件算法问题,而极大概率是定位系统精度低造成的问题。
进入国内的特斯拉FSD只能运行HW4.0系统,相比HW3.0系统,HW4.0系统绝对定位的硬件要强大很多。
HW3.0使用了u-blox的M8L做GPS定位,没有单独外置的IMU,定位精度与几千元的手机差不多。理想状态下定位精度是2.5米CEP,卫星辅助情况下是1.5米CEP,CEP代表圆概率误差(Circular Error Probable),是一种用于衡量武器系统精度的指标。它表示一个圆的半径,以平均值为中心,预期有50%的弹药会落在这个圆的周边。换句话说,CEP是指50%的弹药会落在以平均着陆点为中心的一个圆内。如果某个武器系统的CEP为2.0米,那么当有100发弹药瞄准同一个点时,其中50发会落在以平均着陆点为中心的半径为2.0米的圆内。在车上,就是说达到1.5米精度的定位概率(置信度)为50%。
那么,高等级智能驾驶需要的定位精度是多少呢?
根据中国高速公路设计基本参数和乘用车最大尺寸,对乘用车的横向定位精度要求是0.2米,纵向的精度要求是1米,置信度95%。在车身刚好压线的极限情况,横向定位精度必须小于0.78米,纵向精度小于3米,置信度大于99.7%。在匝道、互通式立交,定位精度要求更高。
如果定位超出了上述定位精度要求,会有怎么样的危险?就如下第一种情况,车辆行驶在左车道,因定位偏差误认为在右车道,在超车时就会驶向对面车道,产生碰撞危险。同样、在交通拥堵、故障停靠等情况下,定位的偏差也会导致危险情况的发生。
当然,定位精度太低会导致频繁走错车道,驾照会面临频繁扣分。国内早期都使用单独的定位盒子即P-Box解决方案,现在内卷极其严重,对成本锱铢必较,单独的定位盒子有被定位模组贴片取代的趋势。
特斯拉自然也是知道定位的重要性,因此HW4.0的定位系统相比HW3.0可谓相当豪华:GNSS前端是意法半导体的STA5635A,价格约为3-4美元;信号接收处理是意法半导体的STA8100GA,价格是7.2美元左右;IMU是意法半导体的ASM330LHH,价格5.9美元。图上未显示出来。
上图中,这种设计一般采用以太网输出到智能驾驶ECU,成本比较高昂,多了一片定位引擎芯片,还增加了一路以太网,电子架构上略微麻烦。考虑到EMI电磁干扰以及天线接收效果,一般都是单独的外置盒子。近来价格竞争激烈,大家纷纷减配,改为集成在ECU内,性能自然差了不少,但成本也降低不少。STA1385也太贵了,要25美元,比STA5635+STA8100+ASM330LHH加起来都要贵上8美元。
意法半导体参考方案定位盒子性能刚刚好满足中国车道级智能驾驶的需求。在RTK加持下可以做到厘米级定位,不过RTK服务是要收服务费的。
STA8100GA和STA5635A都属于意法半导体的Teseo V系列。
用专业GPS接收机(约2万元左右)即NovAtel加持下CEP可以到0.11米,没有专业GPS接收机则是1.03米。
实际如果只是双波段,不需要使用外接的RF终端STA5635A,单一片STA8100GA就足够,但特斯拉可能考虑全球使用,加了STA5635A。
除了接收处理外,最关键的是IMU,因为在城市高楼林立的街道上,GPS信号丢失是无法避免的。这个在美国反倒不严重,在中国问题很突出,中国一线城市高楼密集程度远超自动驾驶大本营加州。在加州,用上最便宜的IMU就行;但在中国,必须用上优质IMU,最好是两颗IMU。此外,GPS信号与卫星仰角关系密切,仰角越高,自然就难以遮挡,GPS信号比较好。由于GPS卫星和北斗卫星主要覆盖中低维度,越靠北,仰角越低,GPS越容易被遮挡。换句话说,北京比深圳更容易出现GPS信号丢失,在深圳做自动驾驶会比北京容易不少。
目前车载用的IMU都是MEMS的,IMU包括两部分,即加速度计和陀螺仪,其中陀螺仪比加速度计要重要的多。传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理,即:对旋转的物体,它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力(旋转物体在有径向运动时所受到的切向力)原理,公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念,利用振动来诱导和探测科里奥利力。
IMU有很多参数,并且各个厂家都尽量不用相同的参数,好让客户无法对比或很难对比。 如果只用一个指标来代表一款IMU的精度的话,那毫无疑问是陀螺零偏。这是因为:1) 惯导系统的精度主要取决于IMU中的陀螺器件精度,而不是加速度计精度;2) 陀螺的精度指标中最重要的又是零偏误差,它基本上决定了该惯导长时间独立工作时的误差发散速度。零偏包含多组数据,厂家不告诉关键参数,或者找个看起来最好看的参数给你看。
ADI垄断高端IMU市场,价格基本都是上千美元,中低端市场主要是TDK、村田、博世和意法半导体。
意法半导体共5款车规级产品,ASM330LHH为入门型,ASM330LHB为高端产品,价格是9.52美元,比ASM330LHH的5.91美元贵了3.61美元。ASM330LHBG1TR更贵,要11.51美元,不过只是增加了温度扩展。
博世有4款ADAS定位用IMU,SMI240的价格大约是6.5美元。
TDK的42688型号多用于苹果手机,不过参数确实很好看,但参数难以全面对比。
国产导远电子的INS570D也能满足高级智能驾驶所要求的标准,并且导远电子用的是自己生产的IMU,技术底蕴胜过国内大部分厂家。INS570D用了测绘级板卡即和芯星通的UM482。导远电子的唯一缺点就是贵,再有就是最好配合蘑菇头天线,蘑菇头天线体积大,比较难放置。
要想做到L3,最低也要0.78米的定位,做到这个精度不算太难,难的是置信度要99%,必须用物理办法,靠数学算法能做到50%就算不错了。所以L3还是很难做到的,做中国的L3更难。
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