Tương lai của các phương tiện là tự động hóa, và các công nghệ cảm biến vị trí tiên tiến đang giúp các phương tiện được thiết kế để tự lái - một cách an toàn và chính xác. Có nhiều dự đoán về thời điểm xe tự động thực sự trở thành hiện thực.
Tuy nhiên, trong khi chúng ta đợi, nhiều phương tiện hiện nay được trang bị một loạt các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) như cảnh báo rời làn, hỗ trợ đỗ xe và phanh tự động. Mặc dù các công nghệ này rất hữu ích, chúng được coi là mức độ tự động hóa SAE chỉ là 1 hoặc 2, có nghĩa là vẫn cần sự tham gia của lái xe 100% thời gian.
Câu hỏi lớn là khi nào chúng ta sẽ thấy bước nhảy công nghệ đến mức độ 5, hoặc các phương tiện hoàn toàn tự động không cần tương tác của lái xe. Thật không may, chúng ta vẫn còn vài năm xa lắm mới chứng kiến công nghệ này trở nên phổ biến và được áp dụng vào bất kỳ loại phương tiện nào. Tại sao? Thách thức quan trọng là đảm bảo an toàn.
Để đạt được sự tự động hoàn toàn đòi hỏi sự tự tin tuyệt đối rằng một phương tiện sẽ tiếp tục hoạt động một cách an toàn và chính xác trong bất kỳ loại thời tiết hoặc điều kiện đường nào và sẽ tránh gây thương tích nghiêm trọng cho hành khách, người đi bộ hoặc tài sản.
Điều này đòi hỏi một công nghệ hướng dẫn và định vị tích hợp có thể đảm bảo phương tiện sẽ hoạt động an toàn nếu và khi các cảm biến nhận dạng phương tiện như LiDAR, radar hoặc camera gặp sự cố, hoặc nếu có sự gián đoạn tạm thời trong tín hiệu vệ tinh GNSS do thời tiết, địa hình hoặc môi trường.
Hệ thống cảm biến dừng an toàn cho xe tự lái
Công nghệ cảm biến phương tiện này là cảm biến đo đạc quán tính, hoặc cảm biến IMU. Bởi vì cảm biến IMU dựa trên trọng lực và các nguyên lý vật lý chứ không phải điều kiện bên ngoài, nó có thể tiếp tục gửi dữ liệu để phương tiện có thể duy trì hướng đi an toàn cho đến khi nó có thể dừng lại an toàn hoặc các hệ thống định vị khác bắt đầu hoạt động lại, ngay cả khi các cảm biến nhận dạng gặp sự cố do thời tiết. Bằng cách loại bỏ gián đoạn dữ liệu và tăng cường an toàn hoạt động, IMU sẽ tăng tốc việc thực hiện ước mơ về lái xe hoàn toàn tự động ở mức độ 5. Nếu không có cảm biến IMU để cung cấp lớp đệm an toàn, các phương tiện tự động sẽ không bao giờ có thể hoạt động hiệu quả trên các đường phố và cao tốc.
Cảm biến IMU là gì, và làm thế nào nó hoạt động?
Hầu hết các cảm biến IMU được tạo thành từ hai bộ cảm biến khác nhau - cảm biến gia tốc và cảm biến giroscope. Các cảm biến gia tốc đo gia tốc tuyến tính trong ba trục vuông góc. Tích phân gia tốc theo thời gian sẽ cung cấp vận tốc, và tích phân vận tốc theo thời gian sẽ dẫn đến thay đổi vị trí.
Các cảm biến giroscope đo tốc độ góc của ba trục vuông góc. Tích phân tốc độ góc theo ba trục qua thời gian sẽ tạo ra thay đổi trong lăn, góc và góc quay, đó là sự thay đổi trong tư thế của một đối tượng.
Một mô-đun IMU với cảm biến giả lập và cảm biến gia tốc có thể cung cấp đo lường trên 6 độ tự do.
Tại sao một số IMU cũng bao gồm một cảm biến từ trường?
Một cảm biến gia tốc có thể được sử dụng để tính toán thành công các giá trị lăn và tang đối với lực hấp dẫn của trái đất, và sửa lỗi trôi của cảm biến giả lập.
Tuy nhiên, nó không thể được sử dụng để phát hiện hướng tuyệt đối (quay) vì sự thay đổi của quay vuông góc với vectơ trọng lực. Một cảm biến từ trường đo lường cường độ từ trường trong ba chiều. Bằng cách sử dụng từ trường của Trái Đất, nó có thể giúp xác định hướng (tức là, quay) cũng như lăn và tang của đối tượng.
Việc tích hợp một cảm biến từ trường trong IMU có thể giúp phát hiện hướng ban đầu của một đối tượng và sửa lỗi tích phân của cảm biến giả lập về góc quay trong thuật toán hợp nhất cảm biến.
Đo lường hiệu suất IMU
Ổn định thiên vị là một trong những thông số hiệu suất quan trọng nhất của cảm biến giả lập. Đây là một đo lường trực tiếp về mức độ mà cảm biến giả lập trôi qua thời gian. Bởi vì đầu ra tốc độ của cảm biến giả lập đang được tích hợp để tính toán sự thay đổi góc (lăn, tang và quay), bất kỳ lỗi nào liên quan đến trôi sẽ dẫn đến lỗi tích lũy trong các góc tương đối. Hơn nữa, những lỗi góc này chuyển đổi thành lỗi vị trí theo thời gian. Đối với các ứng dụng ô tô, một IMU hiệu suất cao là một thành phần cần thiết để xe tự hành đạt được vị trí chính xác cao.
Trong một IMU ba lớp, ba IMU được sử dụng để xây dựng một kiến trúc cảm biến ba lớp cung cấp các mức độ đáng tin cậy và độ chính xác bổ sung.
Nếu vì lý do nào đó mà một hoặc nhiều cảm biến không hoạt động chính xác, hệ thống có thể được lập trình để nhận biết dữ liệu cảm biến bị lỗi và tránh sử dụng nó. Dữ liệu cảm biến bị lỗi hoặc tập dữ liệu sai sẽ bị bỏ qua hoặc giảm độ quan trọng. Kiến trúc này đảm bảo tính đáng tin cậy của hệ thống và đồng thời cải thiện hiệu suất.
Các cảm biến IMU có thể không thu hút cùng mức độ chú ý và báo chí như các cảm biến khác—ví dụ như LiDAR Radar và camera. Tuy nhiên, theo nhiều cách, IMU là thành phần cảm biến an toàn quan trọng cần thiết cho việc vận hành thành công của các phương tiện tự hành cấp độ 4 và 5 sẽ xuất hiện trên đường phố trong thập kỷ tới.
