擁有雄厚財力的大公司正在積極尋求自動駕駛汽車和機器;但由于存在生命和法律責任，設計師面臨著確保導航性能最佳的壓力。這意味著傳感器備份和冗余。

本文介紹了GPS和Wi-Fi等無線導航輔助工具無法運行的情況。然后，它將概述一種設計和實施方法，該方法使用替代和補充的導航輔助設備和傳感器用于自動駕駛車輛和機器人。特別是，它將指出有助于補償RF連接的位置和狀態的變幻莫測的選項。

技術采用的未感知的副作用

從產品的交付服務和披薩，來自“Total Recall”的Johnny Cabs，汽車制造商，零售商和服務公司（如優步）都在為機器人和車輛提供大量資源，這些機器人和車輛具有位置感知能力并適應其直接環境。

同時，聯邦政府已經為各州監管自動駕駛汽車開了綠燈，我們正處在一個不斷發展的時代，這項新技術剛剛開始融入運輸網絡。作為設計工程師，我們需要確保安全地完成這項任務，特別是考慮到生命和責任的發揮。

雖然GPS等導航設備已經變得幾乎不可或缺，但似乎我們越依賴技術，即使我們的設備執行的平凡任務，我們的能力也越差。它已經到了人們依靠GPS導航他們每天遍歷的地方的地步。這可能會令人不安，特別是當我們意識到我們的技術可能會失敗時。當他們這樣做時，我們冒著無助的風險;

例如，由于GPS系統努力實現更精細的分辨率以確保準確性和可靠性，有時候信號丟失可能會導致災難性的影響而沒有某種形式的系統備份。任何使用GPS的人都知道在進入長隧道時GPS信號會發生什么。

補償GPS信號丟失的一種常用技術是蜂窩地理定位。這僅依靠信號強度來獲得位置感。但是，由于手機信號塔可以識別自身，因此知道它們在地圖上的物理存在位置意味著設備RF前端的接收信號強度指示（RSSI）功能可以使用該信息對大致位置進行三角測量。

也就是說，即使在手機信號塔之間，大氣條件也會影響信號強度。在蜂窩塔和自導航接收器之間隨機抽煙的隨機和不可預測的事情會影響信號強度，足以導致位置不準確。

蜂窩技術的進步現在允許其他技術，如載波相位比較和時間戳備份信號強度作為提高地理定位和位置分辨率的手段。并且，導航系統不僅可以使用蜂窩數據。

隨著時間的推移，更多固定信號源可用于導航自我感知系統，以確定其精確位置。例如，現代固定Wi-Fi節點被用作可以像導航信標一樣工作的信號源。甚至無線電臺和中繼器也可用于此目的。

盡管如此，有時候條件可能會使基于RF的三角測量和導航系統完全失效。這些可以包括地面噪聲源，例如墜落和電弧電力線，恐怖主義干擾，大氣條件，或甚至基于空間的干擾，例如日冕物質拋射或電磁干擾，這可能使得基于RF的系統的幾乎所有頻帶完全不可操作。

雖然人類控制著操作車輛，但這可能只是導航的不便。然而，當一臺機器單獨負責將車輛保持在路上時，隨著時間的推移，任何位置誤差都會累積變得更加嚴重，并且當汽車和卡車偏離車道分隔線并錯過出口和入口時會造成嚴重破壞。

這里智能設計師通過實施相互支持的雙重，冗余和技術獨立的傳感器技術來對沖他們的系統。即使在主要信號丟失的短時間內，也需要使用替代的導航和定位技術。

一種特別吸引人的技術是使用高精度慣性導航系統。加上緊湊而密集的詳細路線圖存儲，具有合適處理器的慣性導航系統可以疊加最后已知位置和累積慣性導航傳感器技術，以便在可靠定位信號不可用時進行插值。

獨立但糾纏不清

GPS，蜂窩或Wi-Fi地理定位等導航系統都依賴于相同的RF介質。然而，在不依賴無線連接的情況下串聯運行的替代傳感技術已被證明是許多軍事系統中具有成本效益但可靠的解決方案。在這里，獨立的傳感和決策技術與集成的任務執行處理器并存（圖1）。該架構允許基于信號完整性，可靠性以及比較結果和決策等因素在更高級別進行決策。

圖1：雙冗余傳感系統可以使用自己獨特的傳感器或共享傳感器來獨立得出結論。管理任務執行處理器可以監視結果和/或原始數據，以確定系統是否有故障。這可以為系統主機處理器提供更高可靠性的數據。 （來源：Digi-Key）

為了實現這一目標，主要和備用傳感器技術必須通過相互檢查來實現冗余存在，并在任何一方檢測到或檢測到問題和故障時做好準備。這些可以像看門狗類型的技術一樣簡單，它向另一個系統提供心跳以指示它正在運行。相反，它可以是一個更復雜的系統，來回呈現原始數據，以確保每個系統得出相同的結論。請注意，這兩種技術可以共享相同的映射技術。

當RF不可用時，獨立的慣性導航系統可以成為一種理想的解決方案。然而，可靠的基于陀螺儀的慣性變化和定位系統傳統上過于龐大，昂貴且難以用作檢測慣性差異的手段，并且它們易于發生機械故障。激光陀螺仍然很昂貴，但消除了機械故障模式。

推動技術發展

幸運的是，手機行業推動半導體加速度計產品與昨天的激光陀螺儀系統的性能相媲美，為這種設計困境提供了緊湊且經濟的解決方案。一些優質半導體制造商提供緊湊型加速度計和半導體陀螺儀器件，參考設計和開發套件，以幫助設計人員加快速度。

例如，飛兆半導體/安森美半導體MEMS傳感器技術非常適合表現良好以此身份。憑借高達9軸的感應，其基于融合的算法方法使用專有的AttitudeEngine運動處理器，以低單位成本提供高度的功能。其設計人員還強調使用低功耗，集成的能量管理技術延長電池壽命。

雖然飛兆半導體（現為安森美半導體的一部分）等傳感器供應商在制造多軸傳感器方面投入了大量精力易于使用，您仍需要了解錯誤糾正和準確性的復雜性。這非常重要，因為慣性誤差表現出累積效應。這種誤差的一個來源稱為錐形，它可能受采樣率的影響（圖2）。

誤差校正可以最大限度地減少錐形運動下的方向漂移。這是1軸在空間中掃描錐體而不繞運動軸本身的方向旋轉的地方。錐形漂移率與錐形振幅的平方成正比，與錐形頻率成反比。

圖2：理解和實現糾錯對于可能出現累積誤差的任何類型的慣性導航系統來說，錐形和劃槳是至關重要的。 （資料來源：Fairchild/安森美半導體）

與此相關的是對劃船運動的理解。當一個陀螺儀功能和一個正交加速度計通道以相同頻率感測兩個異相振蕩時，會發生這種情況。如果信號的采樣速度不夠快，則劃槳運動會導致第三通道上的速度積分漂移。

飛兆半導體提供了一種緊湊的傳感器芯片，其特性很好，可以補償這些和其他潛在誤差源。例如，FIS1100可用于完整的慣性導航系統，并可通過簡單的I2C接口提供三軸加速度計和陀螺儀傳感，以便于外設處理器。

有幾種學習和設計支持板，如FEBFIS1100MEMS_IMU6D3X，支持陀螺儀和加速度計傳感，以及FM1030T，用于3D定位。一個不錯的OEM選擇可能是緊湊的FMT1020T評估板（圖3）。這可以使用串行I2C，SPI和UART輸出測量和處理加速度計，陀螺儀，磁力計和3軸感應。

圖3：飛兆半導體FMT1020T等參考設計允許工程師使用剪切和粘貼功能來創建自己的電路板。許多緊湊型模塊可用于OEM或測試設計方法，從而加快產品上市時間。 （資料來源：Fairchild/安森美半導體）

FMT1020T包含傳感器本身（FIS1100）以及ARM?Cortex?-M4 MCU以卸載主機CPU。 MCU還運行Fairchild XKF3傳感器融合算法。這是基于卡爾曼濾波器來估計相對于地球固定幀的3D方向。可提供多種過濾器配置文件，從一般到高動態，有大量運動。

備份備份

備份備份可以使用像博世這樣的霍爾效應傳感設備BMM150用于使用磁場測量技術監測XYZ軸的變化。該集成器件使用專有的基于FlipCore霍爾效應的XYZ軸感應，為任何慣性處理器引擎提供磁力計和基于羅盤的感應。同樣，簡單的SPI串行接口可以為任何高端核心處理器技術提供簡化的外設功能。

根據速度和加速度的變化知道位移的變化不會讓你導航。使用高度精確的地圖數據是允許位置感知系統基于慣性變化持續導航的關鍵。這就是NAND架構驅動的存儲器件等高密度閃存技術變得非常有用的地方。它們允許系統在緊湊，低功耗的電路板中存儲具有高分辨率的詳細本地化映射，這些電路板可以獨立地與蜂窩，Wi-Fi和GPS系統共存。

結論

目前尚不清楚立法行動將如何影響這一新興技術，但僅責任問題決定了在所有條件下實現最佳績效的冗余設計方法。

GPS，蜂窩和Wi-Fi等無線技術是準確定位和定位信息的第一線。然而，這些需要由自我監控系統支持，該系統使用相對和絕對傳感信息的組合來確保在無線信號發生故障時車輛保持在軌道上;這些傳感器需要冗余策略。

最終，運營商將負責控制他們的車輛。然而，當自動駕駛技術進步到幾乎100％的信心時，自動駕駛汽車，飛機，火車和機器人肯定必須實施冗余傳感技術和方法。