慣性測量單元行業(yè)市場簡析

慣性測量單元行業(yè)市場簡析1.IMU位置和姿態(tài)控制核心什么是IMU慣性測量單元(Inertialmeasurementunit，簡稱IMU)，是測量物體三軸姿態(tài)角及加速度的裝置。一般IMU包括三軸陀螺儀及三軸加速度計，部分IMU還包括三軸磁力計。IMU在小至手機、VR，大至航空、航天領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。IMU通常包含陀螺儀(Gyroscope)、加速度計(Accelermeters)，有的還包含磁力計(Magnetometers)和氣壓計。加速計是一個測量特定力的傳感器（身體質(zhì)量使力正常化）。它提供在其本地框架內(nèi)跨越x、y、z軸的加速度。陀螺儀是一個傳感器，它測量在其本地框架內(nèi)圍繞x、y和z軸的角速度。一般來說，對測量結(jié)果進行整合，得出角度本身。磁強計是一個測量地球磁場并提供航向的傳感器（羅盤就是這樣一個設(shè)備）。如果它包括在IMU中，我們通常將其描述為"9軸IMU"。氣壓計是一個測量氣壓的傳感器，可以提供海拔高度。IMU的基本原理MEMS加速度計是MEMS領(lǐng)域最早開始研究的傳感器之一，它的工作原理就是靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板的質(zhì)量很大，而且它是一種懸臂構(gòu)造，當(dāng)速度變化或者加速度達到足夠大時，它所受到的慣性力超過固定或者支撐它的力，這時候它會移動，它跟上下電容板之間的距離就會變化，上下電容就會因此變化。電容的變化跟加速度成正比。IMU分級根據(jù)不同的使用場景，對IMU的精度有不同的要求。精度高，也意味著成本高：普通的消費級電子產(chǎn)品所使用到的IMU都是低精度且十分廉價的IMU，這種IMU普遍應(yīng)用于手機、運動手表中。常用于記錄行走的步數(shù)。而無人駕駛所使用到的IMU，價格從幾百塊到幾萬塊不等，取決于此無人駕駛汽車對定位精度的要求。精度更高的IMU會用于導(dǎo)彈或航天飛機。就以導(dǎo)彈為例，從導(dǎo)彈發(fā)射到擊中目標(biāo)，宇航級的IMU可以達到極高精度的推算，誤差甚至可以小于一米。IMU測量誤差由于制作工藝的原因，慣性傳感器測量的數(shù)據(jù)通常都會有一定誤差。第一種誤差是偏移誤差，也就是陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會有非零的數(shù)據(jù)輸出。要想得到位移數(shù)據(jù)，我們需要對加速度計的輸出進行兩次積分。在兩次積分后，即使很小的偏移誤差會被放大，隨著時間推進，位移誤差會不斷積累，最終導(dǎo)致我們沒法再跟蹤物體的位置。第二種誤差是比例誤差，所測量的輸出和被檢測輸入的變化之間的比率。與偏移誤差相似，在兩次積分后，隨著時間推進，其造成的位移誤差也會不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會導(dǎo)致我們沒法再跟蹤物體的位置。2.MEMSIMU在自動駕駛領(lǐng)域放量在即自動駕駛中的傳感器隨著科技的不斷發(fā)展，自動駕駛技術(shù)日趨成熟。為了實現(xiàn)自動駕駛汽車的各種復(fù)雜功能，精確而又可靠的位置信息開始變得不可或缺，高精度MEMSIMU作用日益凸顯：擁擠的城市峽谷環(huán)境給自動駕駛汽車傳感器陣列帶來了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)自動駕駛汽車在失去GPS/GNSS信號的情況下試圖左轉(zhuǎn)時，IMU技術(shù)開始凸顯它的重要作用。感知傳感器作為自動駕駛主動決策的主要信息來源，可以感知車輛周圍的世界。導(dǎo)航系統(tǒng)由GNSS/GPS接收機和INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）組成，慣導(dǎo)系統(tǒng)包括慣性運動傳感器和來自里程計和轉(zhuǎn)向傳感器的輸入。長期以來，基于MEMS的慣性傳感器（如陀螺儀和加速度計）已作為分立元件應(yīng)用于車輛的碰撞檢測、安全氣囊彈出和電子穩(wěn)定性控制。自動駕駛中的慣性導(dǎo)航從結(jié)構(gòu)上看，IMU主導(dǎo)的慣性導(dǎo)航分為平臺式和捷聯(lián)式。按照市場發(fā)展趨勢，慣性測量傳感器正在不斷向輕量化方向發(fā)展，捷聯(lián)式逐漸成為主流。平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用物理平臺模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)，加速度計安裝在由于陀螺儀控制的穩(wěn)定平臺上，輸出的信息由導(dǎo)航計算機計算航行器位置、速度等導(dǎo)航信息及陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通過平臺穩(wěn)定回路控制平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系在慣性空間的角速度。而航行器的姿態(tài)和方位信息，則從平臺的框架軸上直接測量得到。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航采用數(shù)學(xué)算法確定導(dǎo)航坐標(biāo)系，即加速度計和陀螺儀直接安裝在運載體上，得到信息量之后通過數(shù)學(xué)平臺確定運載體的速度、位置以及姿態(tài)等航向信息。自動駕駛中IMU的優(yōu)勢與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，IMU主導(dǎo)的慣導(dǎo)系統(tǒng)具有信息全面，完全自主、高度隱蔽、信息實時與連續(xù)，且不受時間、地域的限制和人為因素干擾等重要特性，在城市峽谷或森林道路中，IMU不會受到多路徑效應(yīng)或信號衰減的影響。在自動駕駛系統(tǒng)中，IMU數(shù)據(jù)與GNSS、視覺和其他探測和測距系統(tǒng)融合，以填補GNSS更新之間的空隙，并在GNSS和/或其他傳感器受到影響時安全進行短時導(dǎo)航。IMU數(shù)據(jù)始終可用，是任何自主車輛系統(tǒng)的一個組成部分，并可用于在具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中維持車輛安全運行。自動駕駛中的GNSS+RTK+IMU組合導(dǎo)航當(dāng)乘用車達到L3及以上自動駕駛水平，車輛必將擁有能夠精準定位的裝置。目前乘用車的定位精度普遍未能達到自動駕駛的要求。乘用車高精度定位應(yīng)用屬于從0到1的環(huán)節(jié)，隨著自動駕駛級別的演進，其重要性將日益增強。目前行業(yè)內(nèi)對自動駕駛車端的工作模塊主要分為三類：感知層，決策層和控制層。感知層依賴于衛(wèi)星定位、慣性定位、環(huán)境感知等定位技術(shù)，來感知外界、自己車輛狀態(tài)，是自動駕駛的前置條件。3.MEMSIMU卡位人形機器人IMU在早期四足機器人導(dǎo)航中的應(yīng)用四足機器人屬于腿式機器人的一種，可以自主行走，對惡劣復(fù)雜地形的適應(yīng)性強，已經(jīng)成為當(dāng)今移動機器人研究的熱點。四足機器人的應(yīng)用非常廣泛，特種領(lǐng)域方面，四足機器人可以進入人類無法進入的危險場域；陪護領(lǐng)域方面，四足機器人可以實現(xiàn)人際交流；軍事領(lǐng)域方面，四足機器人可以實現(xiàn)高運動性能的作戰(zhàn)移動平臺。作為自主導(dǎo)航機器人，機器必須實時知曉自己的位置。而IMU是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的設(shè)備，在機器人導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用。四足機器人從IMU、激光雷達等傳感器獲取信息，通過相關(guān)算法，實現(xiàn)即時定位與地圖構(gòu)建。IMU在人形機器人導(dǎo)航中的應(yīng)用早期機器人通常在軀干位置放置IMU，隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)在人形機器人中的應(yīng)用逐漸成熟，頭部也將放置IMU，和立體視覺相機等組合進行定位及導(dǎo)航。頂尖機器人應(yīng)用IMUICM-42688-P是TDK針對機器人運動追蹤應(yīng)用推出的高性能6軸IMU。TDK慣性傳感器系列由加速度傳感器、陀螺儀傳感器復(fù)合化的IMU構(gòu)成，旗下的機器人IMU在日本機器人行業(yè)中有很高的知名度。這款6軸MEMS運動傳感器，在性能上是絕對的行業(yè)領(lǐng)先。它的噪聲、靈敏度以及隨時間和溫度變化的偏置穩(wěn)定性都處于很高的行業(yè)水平。它的噪聲、靈敏度以及隨時間和溫度變化的偏置穩(wěn)定性都處于很高的行業(yè)水平。其中的陀螺儀，最關(guān)鍵的靈敏度誤差，依然是±0.5%這個絕對領(lǐng)先的數(shù)值。在零速率偏移量上，可以做到±0.5dps這種車載水平。而在機器人應(yīng)用中絕對重要的噪聲密度，為0.0028dps/√Hz，低密度的噪聲讓機器人更容易獲取自己的位置信息。加速度計同樣是±0.5%的靈敏度誤差以及車載水平的±40mg零加速度偏移量。噪聲密度為75dps/√Hz。該IMU配合TDK旗下的RoboVac可以進一步提高應(yīng)用程序性能的獨特功能，如與RTC同步的樣本，20位的ADC，32kHz的ODR。這個系列還有一個更直接的優(yōu)勢，功耗低。在低噪聲模式下的A+G為880μA；在低功率模式下的A小于50μA。對于移動機器人這類中小型機器人，低功耗器件往往是廠商的第一選擇。IMU在人形機器人中的應(yīng)用IMU可測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，是機器人平衡和穩(wěn)定行走的關(guān)鍵傳感器。由IMU主導(dǎo)的慣性系統(tǒng)，可以在人形機器人中實現(xiàn)慣性導(dǎo)航、慣性測量和慣性穩(wěn)控等多重功能。其中以慣性導(dǎo)航的應(yīng)用最為廣泛。人形機器人IMU方案MEMS慣性傳感器指采用MEMS工藝制備的慣性傳感器，與傳統(tǒng)工藝制造的慣性傳感器相比，MEMS器件具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和智能化等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS慣性測量單元（IMU），均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實現(xiàn)物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。4.MEMSIMU市場空間廣闊自動駕駛領(lǐng)域市場情況目前來看，我國量產(chǎn)乘用車自動駕駛等級正在由L2向L3過度。未來市場發(fā)展空間廣闊。在全新的自動化駕駛架構(gòu)下，汽車智能化的滲透率不斷提升，傳統(tǒng)汽車行業(yè)正面臨著變革與轉(zhuǎn)型，行業(yè)迎來新的發(fā)展機遇。根據(jù)中汽協(xié)預(yù)測，2025年中國汽車銷量或?qū)⑦_到3000萬輛。我們預(yù)測，2025年我國L3級以上（包含L3）自動駕駛的滲透率保守估計為10%，樂觀估計為20%。人形機器人領(lǐng)域市場情況在中國市場上，人形機器人市場規(guī)模較小，但增長速度非?？臁：阒菡\思報告顯示，2019年中國人形機器人市場規(guī)模大約為9.6億美元，預(yù)計到2025年將達到30億美元，折合人民幣200億，復(fù)合年增長率高達19.7%。根據(jù)2023年5月GGII發(fā)布的報告預(yù)測，到2030年全球市場規(guī)模有望突破200億美元。參考中國服務(wù)機器人市場約占全球市場25%的數(shù)值測算，2030年中國人形機器人市場規(guī)模將達50億美元，折合人民幣350億。人形機器人市場在全球范圍內(nèi)處于高速發(fā)展階段，未來市場增長潛力巨大。雖然中國市場規(guī)模相對較小，但增長速度非常快，未來有望成為全球人形機器人市場的主要增長之一。IMU市場空間測算我們預(yù)計2025年人形機器人IMU應(yīng)用發(fā)展成熟，每臺機器人需要4顆IMU提高機器人的精度，用來達到控制身體姿態(tài)、頭部穩(wěn)定補償以及身體穩(wěn)定的效果，而不只是目前初期的簡單移動。保守估計下2025年自動駕駛L3及以上滲透率為10%，人形機器人出貨量為50萬臺；樂觀估計下2025年自動駕駛L3及以上滲透率為20%，人形機器人出貨量為100萬臺。IMU初期價格較高，未來隨競爭對手增多，我們預(yù)計未來有望降到單價300的價值量，在預(yù)測中分別按照單