慣性測(cè)量單元行業(yè)市場(chǎng)簡(jiǎn)析

慣性測(cè)量單元行業(yè)市場(chǎng)簡(jiǎn)析1.IMU位置和姿態(tài)控制核心什么是IMU慣性測(cè)量單元(Inertialmeasurementunit，簡(jiǎn)稱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?；?。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(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MEMS加速度計(jì)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(dòng)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(dá)到足夠大時(shí)，它所受到的慣性力超過(guò)固定或者支撐它的力，這時(shí)候它會(huì)移動(dòng)，它跟上下電容板之間的距離就會(huì)變化，上下電容就會(huì)因此變化。電容的變化跟加速度成正比。IMU分級(jí)根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，對(duì)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(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品所使用到的IMU都是低精度且十分廉價(jià)的IMU，這種IMU普遍應(yīng)用于手機(jī)、運(yùn)動(dòng)手表中。常用于記錄行走的步數(shù)。而無(wú)人駕駛所使用到的IMU，價(jià)格從幾百塊到幾萬(wàn)塊不等，取決于此無(wú)人駕駛汽車對(duì)定位精度的要求。精度更高的IMU會(huì)用于導(dǎo)彈或航天飛機(jī)。就以導(dǎo)彈為例，從導(dǎo)彈發(fā)射到擊中目標(biāo)，宇航級(jí)的IMU可以達(dá)到極高精度的推算，誤差甚至可以小于一米。IMU測(cè)量誤差由于制作工藝的原因，慣性傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通常都會(huì)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(jì)即使在沒有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會(huì)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(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行兩次積分。在兩次積分后，即使很小的偏移誤差會(huì)被放大，隨著時(shí)間推進(jìn)，位移誤差會(huì)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(cè)量的輸出和被檢測(cè)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(shí)間推進(jìn)，其造成的位移誤差也會(huì)不斷積累。第三種誤差是背景白噪聲，如果不給予糾正，也會(huì)導(dǎo)致我們沒法再跟蹤物體的位置。2.MEMSIMU在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域放量在即自動(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(dòng)駕駛汽車傳感器陣列帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車在失去GPS/GNSS信號(hào)的情況下試圖左轉(zhuǎn)時(shí)，IMU技術(shù)開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，可以感知車輛周圍的世界。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)用于車輛的碰撞檢測(cè)、安全氣囊彈出和電子穩(wěn)定性控制。自動(dòng)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(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。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用物理平臺(tái)模擬導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)，加速度計(jì)安裝在由于陀螺儀控制的穩(wěn)定平臺(tái)上，輸出的信息由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)計(jì)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(guò)平臺(tái)穩(wěn)定回路控制平臺(tái)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(tái)的框架軸上直接測(cè)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(jì)和陀螺儀直接安裝在運(yùn)載體上，得到信息量之后通過(guò)數(shù)學(xué)平臺(tái)確定運(yùn)載體的速度、位置以及姿態(tài)等航向信息。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)境中維持車輛安全運(yùn)行。自動(dòng)駕駛中的GNSS+RTK+IMU組合導(dǎo)航當(dāng)乘用車達(dá)到L3及以上自動(dòng)駕駛水平，車輛必將擁有能夠精準(zhǔn)定位的裝置。目前乘用車的定位精度普遍未能達(dá)到自動(dòng)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(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(lái)感知外界、自己車輛狀態(tài)，是自動(dòng)駕駛的前置條件。3.MEMSIMU卡位人形機(jī)器人IMU在早期四足機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用四足機(jī)器人屬于腿式機(jī)器人的一種，可以自主行走，對(duì)惡劣復(fù)雜地形的適應(yīng)性強(qiáng)，已經(jīng)成為當(dāng)今移動(dòng)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。四足機(jī)器人的應(yīng)用非常廣泛，特種領(lǐng)域方面，四足機(jī)器人可以進(jìn)入人類無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)場(chǎng)域；陪護(hù)領(lǐng)域方面，四足機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)人際交流；軍事領(lǐng)域方面，四足機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)高運(yùn)動(dòng)性能的作戰(zhàn)移動(dòng)平臺(tái)。作為自主導(dǎo)航機(jī)器人，機(jī)器必須實(shí)時(shí)知曉自己的位置。而IMU是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的設(shè)備，在機(jī)器人導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用。四足機(jī)器人從IMU、激光雷達(dá)等傳感器獲取信息，通過(guò)相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。IMU在人形機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用早期機(jī)器人通常在軀干位置放置IMU，隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)在人形機(jī)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(jī)等組合進(jìn)行定位及導(dǎo)航。頂尖機(jī)器人應(yīng)用IMUICM-42688-P是TDK針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人IMU在日本機(jī)器人行業(yè)中有很高的知名度。這款6軸MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器，在性能上是絕對(duì)的行業(yè)領(lǐng)先。它的噪聲、靈敏度以及隨時(shí)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(shí)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(gè)絕對(duì)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(jī)器人應(yīng)用中絕對(duì)重要的噪聲密度，為0.0028dps/√Hz，低密度的噪聲讓機(jī)器人更容易獲取自己的位置信息。加速度計(jì)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(jìn)一步提高應(yīng)用程序性能的獨(dú)特功能，如與RTC同步的樣本，20位的ADC，32kHz的ODR。這個(gè)系列還有一個(gè)更直接的優(yōu)勢(shì)，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(duì)于移動(dòng)機(jī)器人這類中小型機(jī)器人，低功耗器件往往是廠商的第一選擇。IMU在人形機(jī)器人中的應(yīng)用IMU可測(cè)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(jī)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(jī)器人中實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航、慣性測(cè)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(jī)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費(fèi)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(jì)和MEMS慣性測(cè)量單元（IMU），均包含一顆微機(jī)械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過(guò)慣性技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的感知。4.MEMSIMU市場(chǎng)空間廣闊自動(dòng)駕駛領(lǐng)域市場(chǎng)情況目前來(lái)看，我國(guó)量產(chǎn)乘用車自動(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(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)汽車銷量或?qū)⑦_(dá)到3000萬(wàn)輛。我們預(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%。人形機(jī)器人領(lǐng)域市場(chǎng)情況在中國(guó)市場(chǎng)上，人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模較小，但增長(zhǎng)速度非?？?。恒州誠(chéng)思報(bào)告顯示，2019年中國(guó)人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模大約為9.6億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到30億美元，折合人民幣200億，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)19.7%。根據(jù)2023年5月GGII發(fā)布的報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030年全球市場(chǎng)規(guī)模有望突破200億美元。參考中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)約占全球市場(chǎng)25%的數(shù)值測(cè)算，2030年中國(guó)人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)50億美元，折合人民幣350億。人形機(jī)器人市場(chǎng)在全球范圍內(nèi)處于高速發(fā)展階段，未來(lái)市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大。雖然中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)較小，但增長(zhǎng)速度非常快，未來(lái)有望成為全球人形機(jī)器人市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)之一。IMU市場(chǎng)空間測(cè)算我們預(yù)計(jì)2025年人形機(jī)器人IMU應(yīng)用發(fā)展成熟，每臺(tái)機(jī)器人需要4顆IMU提高機(jī)器人的精度，用來(lái)達(dá)到控制身體姿態(tài)、頭部穩(wěn)定補(bǔ)償以及身體穩(wěn)定的效果，而不只是目前初期的簡(jiǎn)單移動(dòng)。保守估計(jì)下2025年自動(dòng)駕駛L3及以上滲透率為10%，人形機(jī)器人出貨量為50萬(wàn)臺(tái)；樂(lè)觀估計(jì)下2025年自動(dòng)駕駛L3及以上滲透率為20%，人形機(jī)器人出貨量為100萬(wàn)臺(tái)。IMU初期價(jià)格較高，未來(lái)隨競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手增多，我們預(yù)計(jì)未來(lái)有望降到單價(jià)300的價(jià)值量，在預(yù)測(cè)中分別按照單