隨著自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車輛的精準(zhǔn)定位成為安全駕駛與路徑規(guī)劃的核心基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)人類駕駛依賴路標(biāo)和視覺判斷，自動駕駛汽車需要在復(fù)雜多變的交通環(huán)境中，實現(xiàn)米級乃至厘米級的定位精度，并能夠?qū)崟r響應(yīng)環(huán)境變化。為此，自動駕駛系統(tǒng)通常采用多傳感器融合的方式，將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性測量單元（IMU）、激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭、超寬帶（UWB）等多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，通過算法層層迭代優(yōu)化，達(dá)到高精度、高可靠性的車輛定位能力。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

GNSS（Global Navigation Satellite System）是定位的基礎(chǔ)手段之一，目前常見的系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗。GNSS通過衛(wèi)星信號測量載波相位或偽距，理論上可實現(xiàn)米級定位精度。但受制于大氣層電離層延遲、多路徑效應(yīng)、信號遮擋等因素，單一GNSS定位往往會出現(xiàn)數(shù)米甚至十幾米的誤差。為提升精度，自動駕駛往往采用差分GNSS（DGNSS）或?qū)崟r動態(tài)改正（RTK）技術(shù)，通過基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)向車載GNSS接收機發(fā)送改正信息，將定位精度提升到10厘米以內(nèi)。即便如此，在城市峽谷或隧道等GNSS弱覆蓋區(qū)域，GNSS定位還會出現(xiàn)信號中斷或精度驟降，需要依賴其他傳感器進(jìn)行補償。

慣性測量單元（IMU）

IMU由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，能夠以高頻率（通常在100Hz以上）測量車輛的線加速度與角速度。基于零速更新（ZUPT）或車輛動力學(xué)模型，IMU可以在短時間內(nèi)提供平滑、連續(xù)的姿態(tài)與位移估計，彌補GNSS失效時的定位盲區(qū)。但I(xiàn)MU本身存在累積誤差問題，加速度積分得到速度、位置時，誤差隨時間呈二次方增長。因此，自動駕駛系統(tǒng)通過濾波器（如擴展卡爾曼濾波EKF、無跡卡爾曼濾波UKF或基于因子圖的平差）將GNSS與IMU數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)實時校正與狀態(tài)估計，使定位既具有GNSS的全局參考，又具備IMU的高頻動態(tài)響應(yīng)能力。

激光雷達(dá)（LiDAR）SLAM技術(shù)

LiDAR能夠獲取高精度的三維點云，描繪周圍環(huán)境的幾何特征，并對點云序列進(jìn)行配準(zhǔn)，實現(xiàn)基于激光的同時定位與地圖構(gòu)建（LiDAR SLAM）。常見算法包括LOAM（LiDAR Odometry and Mapping）、Cartographer和FAST-LIO等。它們通過點云特征提取（如平面、棱線特征）和匹配，將新一幀點云與已有地圖或局部子地圖進(jìn)行位姿估計，并將高置信度位姿作為優(yōu)化約束，不斷更新車輛位姿與地圖。LiDAR SLAM具有抗光照變化、強抗干擾的優(yōu)勢，能夠在GNSS失效或視覺條件不佳的環(huán)境中持續(xù)定位。但其計算量大、對點云質(zhì)量和環(huán)境特征豐富度有較高要求，需要與其他傳感器協(xié)同使用以保證魯棒性。

視覺慣導(dǎo)與視覺里程計

攝像頭具有成本低、分辨率高、信息量豐富的特點，可用于車道線識別、交通標(biāo)志檢測、物體識別等場景感知，同時通過視覺里程計（VO）或視覺慣性里程計（VIO）實現(xiàn)位姿估計。VO方法基于兩幀或多幀圖像特征匹配（如SIFT、ORB、SuperPoint），求解相對運動；VIO進(jìn)一步結(jié)合IMU數(shù)據(jù)，通過濾波或優(yōu)化框架（如MSCKF、VINS-Mono），提高估計精度與穩(wěn)定性。視覺定位在特征稠密、紋理豐富的場景下精度較高，但易受光照變化、雨霧天氣等因素影響。未來還可結(jié)合深度學(xué)習(xí)，利用語義特征輔助定位，提高在相似環(huán)境下的魯棒性。

高精度地圖與定位

高精度地圖（HD Map）是自動駕駛定位的重要先驗，通常包括厘米級精度的車道線中心線、路緣石、坑洞、交通標(biāo)志、信號燈位置等幾何與語義信息。車輛在定位時，將實時傳感器感知的環(huán)境特征與地圖要素進(jìn)行匹配，通過ICP（Iterative Closest Point）、NDT（Normal Distribution Transform）等方法，計算當(dāng)前車身位姿。高精度地圖一方面可以彌補傳感器數(shù)據(jù)不足，另一方面還可提供冗余校驗，當(dāng)多源傳感器出現(xiàn)異常時，定位系統(tǒng)依然有可靠依據(jù)。但高精度地圖的構(gòu)建與更新成本較高，需要專業(yè)測繪設(shè)備和定期維護(hù)。

多傳感器融合算法

在自動駕駛定位系統(tǒng)中，多傳感器融合是核心。最常用的方法包括擴展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）、粒子濾波（PF）以及基于因子圖的優(yōu)化（如g2o、GTSAM）。EKF類方法適合實時性要求高的場景，而因子圖優(yōu)化能更好地處理非線性、多模態(tài)信息，并支持后端批量優(yōu)化。融合框架通常分為前端（測量預(yù)處理、特征提取與匹配）和后端（狀態(tài)估計與優(yōu)化）兩部分。前端對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、時空對齊，并提取關(guān)鍵特征；后端以融合算法為核心，將各傳感器的觀測值、車輛運動模型、地圖先驗融入最優(yōu)化問題，通過稀疏線性求解器不斷迭代，得到全局一致的最優(yōu)位姿。

挑戰(zhàn)及展望

盡管當(dāng)前定位技術(shù)已能滿足大多數(shù)城市與高速公路場景，但在極端惡劣天氣（暴雪、濃霧）、地下停車場、高層建筑密集區(qū)等“GNSS陰影區(qū)”，多傳感器融合仍面臨信號遮擋、傳感器失效、計算資源受限等挑戰(zhàn)。未來，隨著5G/6G網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)（V2X）、超寬帶（UWB）等通訊技術(shù)的發(fā)展，可實現(xiàn)車車與車路協(xié)同定位，進(jìn)一步提升定位精度與魯棒性。自監(jiān)督與強化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在SLAM與定位中的應(yīng)用，還將助力傳感器數(shù)據(jù)的智能融合與誤差自適應(yīng)校正。未來，自動駕駛車輛定位必將向著更高精度、更強魯棒性、更低成本的方向演進(jìn)，為智能交通和無人駕駛的大規(guī)模商業(yè)化奠定堅實基礎(chǔ)。

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       原文標(biāo)題 : 自動駕駛汽車是如何準(zhǔn)確定位的？