PNT專家Dana Goward在近期一篇社論中指出，如今社會高度依賴GPS提供的位置、導航與授時服務(PNT)[1]。然而，現有GPS/GNSS PNT系統正面臨多重且複雜的威脅，導航平台開發者必須加速評估新興技術，以優化其脆弱的PNT策略。自動駕駛汽車(AV)的制導與導航控制(GNC)系統即為一例，必須具備辨識與因應PNT異常的能力。
許多AV開發商和營運業者同樣面臨著多重挑戰，不得不開始考慮為其平台導入慣性感測器。對於初次使用微機電系統(MEMS)慣性測量單元(IMU)的企業而言，如何以充分發揮其性能的採樣速率、實現數據的同步性，將會是一大挑戰。即使在原型設計和初期的現場測試階段，採樣速率和資料的同步性也會對整體系統性能產生影響。識別和優化IMU的關鍵特性是首要的任務。
IMU感測器架構與原理
IMU感測器通常包含三軸線性加速度計和三軸陀螺儀，用於測量物體在三個正交軸上的線性加速度和角速率。圖1說明了慣性參考架構，以及每個感測器的極性和軸線設定。
AGV導航系統應用範例
圖2所示為AGV主處理迴圈的簡化流程圖，該AGV整合了影像、車輪里程計和GPS，以實現慣性導航和路徑追蹤。虛線部分則說明了如何在迴圈中增加讀取操作，以讀取ADIS16576 MEMS IMU六個慣性感測器的資料。
舉例來說，主迴圈以50Hz的速率從影像和車輪里程計獲取資料，並以10Hz更新GPS/PNT資訊。第一代產品AGV主要應用在空軍基地間的配送任務。為因應部分GPS訊號不穩情況(例如僅有兩顆衛星可用)，下一代產品必須導入更多的感測器，並升級GNC系統，以提升其在複雜越野環境中的速度。ADIS16576即為其中一款評估用的MEMS IMU元件。
不過，為了實現更好性能和運行狀態，需要一定的採樣速率。目前迴圈更新速率與理想的採樣速率相差達80倍，如何彌合兩者的差距是首要挑戰。然而，若想提高GNC系統迴圈速度，必然需要重大的改動，對於初期現場測試而言不切實際。因此，如何透過優化資料縮減、時間一致性、同步和資料緩衝等特性，有效地評估IMU在此特定用例中的效益，是開發者必須優先考量之處。
資料縮減
要降低資料速率，最簡單的方法是以較低速率擷取資料。但這可能導致訊號採樣不足而導入誤差。由於AGV平台依賴IMU感測器擷取資訊並提供回饋，在進行高動態運動或處於複雜環境時，更容易出現誤差。
相較於其他AGV感測平台，IMU核心感測器(加速度計、陀螺儀)和訊號鏈的頻寬更寬。因此降低資料率的同時，也要調整頻寬。應用數位濾波器可以解決這個問題。例如，將感測器配置到圖2所示的系統時，將其Bartlett FIR濾波器設定為每級64接點，截止頻率降至約20Hz。採樣濾波器則設定為資料更新平均80個樣本時，輸出資料速率(ODR)降至50Hz。運用濾波器時，應確保資料寬度能夠支援相應的位成長。
在此範例中，每個慣性感測器需擷取兩個16位元暫存器(共32位元)的資料。為了滿足32位元慣性感測器資料的要求，當使用突發讀取指令、串列時脈頻率為8MHz，且通訊開銷為4μs時，通訊序列時間將由24μs增加到40μs。
時間一致性
優化資料速率和頻寬後，下一步是確保IMU資料採樣時機與系統時脈參考的一致性。如以出廠預設配置運行，IMU使用內部時脈，可能與影像同步頻率存在誤差。當IMU的ODR低於影像同步頻率時，可能會讀取到過時的數據；IMU的ODR高於影像同步頻率時，則會丟失數據。此種情況發生的頻率取決於時脈之間的落差。另一個問題則是IMU資料的延遲，其延遲變化時間有時可達一個採樣週期。
有兩種方法可提升時間一致性，其一，是利用IMU的資料就緒訊號，觸發IMU資料擷取。圖3為兩種不同操作後檢查IMU資料的流程圖。此種方法可解決資料樣本缺失的問題，並確保以50Hz的主迴圈速率，獲取時間一致的IMU資料流程。此概念還可應用到GNC處理與影像讀取的間隙，檢查是否有資料更新。
同步
另一種確保時間一致性的方法，則是利用IMU的外部同步特性。ADIS16576提供直接式和比例式兩種同步模式。以圖2的範例而言，比例同步模式較為合適。意即當系統時脈以50Hz運行時，IMU的理想頻率應為4000Hz，因此將時脈比例設定為80倍。與濾波器搭配使用後，可在固定延遲下，維持20Hz頻寬和50Hz的輸出資料速率。
資料緩衝
如果希望以最快採樣速率進行初期測試，平台卻僅能提供同步資料通訊服務，此時可以考慮導入資料緩衝技術。系統架構者可以選擇具有資料緩衝功能的IMU，或將IMU與共置的嵌入式處理器搭配使用。
以圖2的範例來看，禁用感測器的濾波後，板載FIFO將在一個主迴圈週期內收集80個樣本。此配置下可使用16位元資料格式優化通訊時間。因此，在8MHz串列時脈下，且通訊段之間的停轉時間為6μs時，AGV處理器能在4ms內擷取六種慣性樣本的全部資料。
為發揮MEMS IMU的性能，系統架構可能需要進行深度的調整。在投入大量資源推進升級之前，可先優化現有數位特性，以協助開發人員評估其應用場景，以制定具體可行的升級計畫。對AV開發者而言，建構一套能與MEMS IMU回應時間同步的系統架構相當重要
(本文作者為ADI應用工程師)
