百億市場(chǎng)！高性能MEMS IMU，將成自動(dòng)駕駛的下一個(gè)風(fēng)口【附報(bào)告下載】

來(lái)源：華安機(jī)械 分析師張帆，謝謝

編輯：感知芯視界 萬(wàn)仞

獲取最新IMU行業(yè)研究報(bào)告，可在感知芯視界首頁(yè)對(duì)話(huà)框，回復(fù)“IMU”免費(fèi)下載。

【摘要】

○預(yù)計(jì)高性能MEMS IMU市場(chǎng)規(guī)模最高達(dá)100億元。目前國(guó)產(chǎn)高性能三軸芯片自主可控已突破，放量在即百億市場(chǎng)有望迎來(lái)爆發(fā)

○IMU（慣性測(cè)量單元）通過(guò)測(cè)量物體加速度和角速度的變化來(lái)推算出物體在三維空間中的位置和姿態(tài)。目前高精度MEMS IMU民用市場(chǎng)，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括高精度自動(dòng)駕駛以及人形機(jī)器人。

○自動(dòng)駕駛達(dá)到L3級(jí)以及以上，所需要IMU精度需要達(dá)到1°/h以?xún)?nèi)，目前較高精度的MEMS IMU芯片全部依賴(lài)于海外進(jìn)口；同時(shí)人形機(jī)器人達(dá)到特斯拉Optimus的精度，需要通過(guò)增加高精度MEMS IMU數(shù)量來(lái)達(dá)到身體穩(wěn)定、姿態(tài)控制以及頭不穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)男Ч?，因此高性能MEMS IMU芯片國(guó)產(chǎn)自主可控的機(jī)遇需要提前布局。

什么是IMU

慣性測(cè)量單元(Inertial measurement unit，簡(jiǎn)稱(chēng)IMU)，是測(cè)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(jì)，部分IMU還包括三軸磁力計(jì)。IMU在小至手機(jī)、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(jì)(Accelermeters)，有的還包含磁力計(jì)(Magnetometers)和氣壓計(jì)。

? 加速計(jì)是一個(gè)測(cè)量特定力的傳感器（身體質(zhì)量使力正?；Ｋ峁┰谄浔镜乜蚣軆?nèi)跨越x、y、z軸的加速度。

? 陀螺儀是一個(gè)傳感器，它測(cè)量在其本地框架內(nèi)圍繞x、y和z軸的角速度。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整合，得出角度本身。

? 磁強(qiáng)計(jì)是一個(gè)測(cè)量地球磁場(chǎng)并提供航向的傳感器（羅盤(pán)就是這樣一個(gè)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(jì)是一個(gè)測(cè)量氣壓的傳感器，可以提供海拔高度。

IMU的基本原理

? 下圖為MEMS陀螺儀角速度計(jì)（MEMS gyroscope），其工作原理是利用角動(dòng)量守恒原理及科里奧效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速率。它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。

? 與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動(dòng)金屬與下層金屬形成電容。當(dāng)陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，他與下面電容板之間的距離機(jī)會(huì)發(fā)生變化，上下電容也就會(huì)因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測(cè)量當(dāng)前的角速度。

獲取最新IMU行業(yè)研究報(bào)告，可在感知芯視界首頁(yè)對(duì)話(huà)框，回復(fù)“IMU”免費(fèi)下載。

自動(dòng)駕駛中的傳感器

隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)日趨成熟。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的各種復(fù)雜功能，精確而又可靠的位置信息開(kāi)始變得不可或缺，高精度MEMS IMU作用日益凸顯：

? 擁擠的城市峽谷環(huán)境給自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器陣列帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)在失去GPS/GNSS信號(hào)的情況下試圖左轉(zhuǎn)時(shí)，IMU技術(shù)開(kāi)始凸顯它的重要作用。

? 感知傳感器作為自動(dòng)駕駛主動(dòng)決策的主要信息來(lái)源，可以感知車(chē)輛周?chē)氖澜纭?/p>

? 導(dǎo)航系統(tǒng)由GNSS / GPS接收機(jī)和INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）組成，慣導(dǎo)系統(tǒng)包括慣性運(yùn)動(dòng)傳感器和來(lái)自里程計(jì)和轉(zhuǎn)向傳感器的輸入。

? 長(zhǎng)期以來(lái)，基于MEMS的慣性傳感器（如陀螺儀和加速度計(jì)）已作為分立元件應(yīng)用于車(chē)輛的碰撞檢測(cè)、安全氣囊彈出和電子穩(wěn)定性控制。

從結(jié)構(gòu)上看，IMU主導(dǎo)的慣性導(dǎo)航分為平臺(tái)式和捷聯(lián)式。按照市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，慣性測(cè)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。

自動(dòng)駕駛中IMU的優(yōu)勢(shì)

? 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(shí)時(shí)與連續(xù)，且不受時(shí)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(huì)受到多路徑效應(yīng)或信號(hào)衰減的影響。

? 在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，IMU數(shù)據(jù)與GNSS、視覺(jué)和其他探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)融合，以填補(bǔ)GNSS更新之間的空隙，并在GNSS和/或其他傳感器受到影響時(shí)安全進(jìn)行短時(shí)導(dǎo)航。IMU數(shù)據(jù)始終可用，是任何自主車(chē)輛系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，并可用于在具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中維持車(chē)輛安全運(yùn)行。

自動(dòng)駕駛中的IMU應(yīng)用

? 自動(dòng)駕駛汽車(chē)駛?cè)敫邩橇至⒌膮^(qū)域，失去了衛(wèi)星信號(hào)，無(wú)法由GPS提供絕對(duì)定位，此時(shí)，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)絕對(duì)定位的作用，在沒(méi)有GPS信號(hào)的區(qū)域?yàn)槠?chē)提供絕對(duì)定位信息，這些信息包括汽車(chē)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度和海拔高度。

? 自動(dòng)駕駛汽車(chē)通過(guò)車(chē)道線識(shí)別功能確保自身在道路中行駛，在遇到強(qiáng)烈太陽(yáng)光照射的情況下，車(chē)道線識(shí)別功能失效。此時(shí)，IMU可以發(fā)揮其延續(xù)相對(duì)定位的作用，根據(jù)歷史記錄中的道路曲率與汽車(chē)相對(duì)于車(chē)道邊界的歷史位置，確保汽車(chē)在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)行駛在車(chē)道中。

視線遮擋時(shí)IMU工作示意圖

IMU是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在定位領(lǐng)域的最后一道防線:

? 第一，IMU對(duì)相對(duì)和絕對(duì)位置的推演沒(méi)有任何外部依賴(lài)，是一個(gè)類(lèi)似于黑匣子的完備系統(tǒng)；相比而言，基于GPS的絕對(duì)定位依賴(lài)于衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋效果，基于高精地圖的絕對(duì)定位依賴(lài)于感知的質(zhì)量和算法的性能，而感知的質(zhì)量與天氣有關(guān)，都有一定的不確定性。

? 第二，同樣是由于IMU不需要任何外部信號(hào)，它可以被安裝在汽車(chē)底盤(pán)等不外露的區(qū)域，可以對(duì)抗外來(lái)的電子或機(jī)械攻擊；相比而言，視覺(jué)、激光和毫米波在提供相對(duì)或絕對(duì)定位時(shí)必須接收來(lái)自汽車(chē)外部的電磁波或光波信號(hào)，這樣就很容易被來(lái)自攻擊者的電磁波或強(qiáng)光信號(hào)干擾而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情況損壞。

? 第三，IMU對(duì)角速度和加速度的測(cè)量值之間本就具有一定的冗余性，再加上輪速計(jì)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等冗余信息，使其輸出結(jié)果的置信度遠(yuǎn)高于其它傳感器提供的絕對(duì)或相對(duì)定位結(jié)果。

高精度IMU在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的廣泛實(shí)際應(yīng)用

自動(dòng)駕駛中的GNSS+RTK+IMU組合導(dǎo)航

? 當(dāng)乘用車(chē)達(dá)到L3及以上自動(dòng)駕駛水平，車(chē)輛必將擁有能夠精準(zhǔn)定位的裝置。目前乘用車(chē)的定位精度普遍未能達(dá)到自動(dòng)駕駛的要求。乘用車(chē)高精度定位應(yīng)用屬于從0到1的環(huán)節(jié)，隨著自動(dòng)駕駛級(jí)別的演進(jìn)，其重要性將日益增強(qiáng)。

? 目前行業(yè)內(nèi)對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)端的工作模塊主要分為三類(lèi)：感知層，決策層和控制層。感知層依賴(lài)于衛(wèi)星定位、慣性定位、環(huán)境感知等定位技術(shù)，來(lái)感知外界、自己車(chē)輛狀態(tài)，是自動(dòng)駕駛的前置條件。

自動(dòng)駕駛車(chē)端硬件架構(gòu)

? 衛(wèi)星定位、慣性定位、環(huán)境感知定位三種定位方式由于實(shí)現(xiàn)的方式不同，在不同能力范圍內(nèi)各有優(yōu)劣，單獨(dú)的定位方式方案難以滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛對(duì)高精定位的需求。

三種定位方式優(yōu)劣對(duì)比表

? 目前行業(yè)內(nèi)共識(shí)的組合方案是由GNSS單元、RTK定位確定 圖表17 完全組合的定位框架絕對(duì)位置，IMU確定相對(duì)位置，同時(shí)，高精地圖與激光雷達(dá)，攝像頭等感知設(shè)備用于環(huán)境感知。

? 車(chē)輛從GNSS+RTK+IMU定位組合中獲得車(chē)輛位置的預(yù)測(cè)值，從高精地圖中獲取位置附近的環(huán)境特征，之后將掃描識(shí)別的環(huán)境特征與高精地圖記述的環(huán)境特征做匹配融合，獲取車(chē)輛當(dāng)下精準(zhǔn)的位置信息。各工作單元之間信息相互耦合，結(jié)果相互冗余，從而保障了定位的精度和可靠性。

? 通過(guò)激光雷達(dá)、視覺(jué)等傳感器實(shí)現(xiàn)的環(huán)境特征定位與高精地圖結(jié)合的定位方案也能實(shí)現(xiàn)高精定位，但是視覺(jué)、激光雷達(dá)等傳感器的器件成本，以及對(duì)邊緣計(jì)算的要求高，衛(wèi)慣組合導(dǎo)航幾乎可以通過(guò)十分之一的價(jià)格實(shí)現(xiàn)相同的效果。所以目前衛(wèi)慣組合導(dǎo)航還是最主流的高精定位方案。

完全組合的定位框架

自動(dòng)駕駛領(lǐng)域MEMS IMU市場(chǎng)空間廣闊

? 目前來(lái)看，我國(guó)量產(chǎn)乘用車(chē)自動(dòng)駕駛等級(jí)正在由L2向L3過(guò)度。未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展空間廣闊。在全新的自動(dòng)化駕駛架構(gòu)下，汽車(chē)智能化的滲透率不斷提升，傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)正面臨著變革與轉(zhuǎn)型，行業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

? 根據(jù)中汽協(xié)預(yù)測(cè)，2025年中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量或?qū)⑦_(dá)到3000萬(wàn)輛。

? 預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)L3級(jí)以上（包含L3）自動(dòng)駕駛的滲透率保守估計(jì)為10%，樂(lè)觀估計(jì)為20%。

IMU產(chǎn)業(yè)鏈

IMU中的MEMS陀螺儀按照零偏穩(wěn)定性的指標(biāo)劃為消費(fèi)級(jí)（>15°/h）、戰(zhàn)術(shù)級(jí)（0.15-15°/h）、導(dǎo)航級(jí)（0.01-0.15°/h）、戰(zhàn)略級(jí)（<0.01°/h）。目前國(guó)內(nèi)在消費(fèi)級(jí)完全自主可控，戰(zhàn)術(shù)級(jí)達(dá)到1°/h以?xún)?nèi)的精度之后完全依賴(lài)于海外進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)替代自主可控成為關(guān)鍵；目前主要的應(yīng)用場(chǎng)景為自動(dòng)駕駛L3級(jí)以及以上的水平、人形機(jī)器人所需要的IMU芯片精度需要達(dá)到1°/h以?xún)?nèi)。

?IMU上游芯片：

海外廠商主要包括霍尼韋爾、TDK、ST、Silicon Sensing等；國(guó)內(nèi)，芯動(dòng)聯(lián)科目前唯一能夠生產(chǎn)高精度MEMS傳感器的國(guó)內(nèi)廠商，此外正在布局自動(dòng)駕駛L3級(jí)以及以上所需的IMU芯片的廠商還包括上海矽睿科技、深圳深迪半導(dǎo)體。

?IMU模組：

直接生產(chǎn)IMU模組的廠商，海外主要包括TDK、ST、霍尼韋爾等；國(guó)內(nèi)包括芯動(dòng)聯(lián)科、蘇州固锝。

?IMU下游慣導(dǎo)：

海外廠商主要包括U-Blox、霍尼韋爾、ADI、 諾斯羅普格魯曼（Northrop Grumman）；國(guó)內(nèi)包括中海達(dá)、華測(cè)導(dǎo)航、華依科技、星網(wǎng)宇達(dá)、理工導(dǎo)航。

獲取最新IMU行業(yè)研究報(bào)告，可在感知芯視界首頁(yè)對(duì)話(huà)框，回復(fù)“IMU”免費(fèi)下載。

*免責(zé)聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，本文所用圖片、文字如涉及作品版權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系我們刪除。本平臺(tái)旨在提供行業(yè)資訊，僅代表作者觀點(diǎn)，不代表感知芯視界立場(chǎng)。

今日內(nèi)容就到這里啦，如果有任何問(wèn)題，或者想要獲取更多行業(yè)干貨研報(bào)，可以私信我或者留言

審核編輯 黃宇