惯性测量单元行业专题申报：高机能MEMS IMU专题分析_机械人_惯性

惯性丈量单元(Inertial measurement unit，简称 IMU)，是丈量 物体三轴姿态角及加速度的装置。
一样平常IMU包括三轴陀螺仪及 三轴加速度计，部分IMU还包括三轴磁力计。
IMU在小至手机、 VR，大至航空、航天领域都得到了广泛的运用。

IMU常日包含陀螺仪(Gyroscope)、加速度计(Accelermeters)， 有的还包含磁力计(Magnetometers)和气压计。
加速计是一个丈量特定力的传感器（身体质量使力正常 化）。
它供应在其本地框架内超过x、y、z轴的加速度。
陀螺仪是一个传感器，它丈量在其本地框架内环绕x、y和z 轴的角速率。
一样平常来说，对丈量结果进行整合，得出角度 本身。
磁强计是一个丈量地球磁场并供应航向的传感器（罗盘就 是这样一个设备）。
如果它包括在IMU中，我们常日将其 描述为 "9轴IMU"。
气压计是一个丈量气压的传感器，可以供应海拔高度。

IMU的基本事理

MEMS加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一，它的事情事理便是靠MEMS中可移动部分的惯性。
由于中间电容板的质量很大，而且它是一种悬臂布局，当速率变革或者加速度达到足够大时，它所受到的惯性力超过 固定或者支撑它的力，这时候它会移动，它跟高下电容板之间的间隔就会变革，高下电容就会因此变革。
电容的变革 跟加速度成正比。

IMU分级

根据不同的利用场景，对IMU的精度有不同 的哀求。
精度高，也意味着本钱高： 普通的消费级电子产品所利用到的IMU 都是低精度且十分廉价的IMU，这种 IMU普遍运用于手机、运动腕表中。
常 用于记录行走的步数。
而无人驾驶所利用到的IMU，价格从几 百块到几万块不等，取决于此无人驾驶 汽车对定位精度的哀求。
精度更高的IMU会用于导弹或航天飞机。
就以导弹为例，从导弹发射到击中目标， 宇航级的IMU可以达到极高精度的推算， 偏差乃至可以小于一米。

IMU丈量偏差

由于制作工艺的缘故原由，惯性传感器丈量的数据常日都会有一定偏差。
第一种偏差是偏移偏差，也便是陀螺仪和加速度计纵然在没有旋转或加速的情形下也会有非零的数据输出。
要想得 到位移数据，我们须要对加速度计的输出进行两次积分。
在两次积分后，纵然很小的偏移偏差会被放大，随着韶光 推进，位移偏差会不断积累，终极导致我们没法再跟踪物体的位置。
第二种偏差是比例偏差，所丈量的输出和被检测输入的变革之间的比率。
与偏移偏差相似，在两次积分后，随着时 间推进，其造成的位移偏差也会不断积累。
第三种偏差是背景白噪声，如果不给予纠正，也会导致我们没法再跟踪物体的位置。

自动驾驶中的传感器

随着科技的不断发展，自动驾驶技能日趋成熟。
为了实现自动 驾驶汽车的各种繁芜功能，精确而又可靠的位置信息开始变得 不可或缺，高精度MEMS IMU浸染日益凸显： 拥挤的城市峡谷环境给自动驾驶汽车传感器阵列带来了巨 大的寻衅。
当自动驾驶汽车在失落去GPS/GNSS旗子暗记的情形 下试图左转时，IMU技能开始凸显它的主要浸染。
感知传感器作为自动驾驶主动决策的紧张信息来源，可以 感知车辆周围的天下。
导航系统由GNSS / GPS吸收机和INS（惯性导航系统）组 成，惯导系统包括惯性运动传感器和来自里程计和转向传 感器的输入。
长期以来，基于MEMS的惯性传感器（如陀螺仪和加速度 计）已作为分立元件运用于车辆的碰撞检测、安全气囊弹 出和电子稳定性掌握。

自动驾驶中的惯性导航

从构造上看，IMU主导的惯性导航分为平台 式和捷联式。
按照市场发展趋势，惯性丈量 传感器正在不断向轻量化方向发展，捷联式 逐渐成为主流。
平台式惯性导航系统采取物理平台仿照导航 坐标系统，加速度计安装在由于陀螺仪掌握 的稳定平台上，输出的信息由导航打算机计 算航行器位置、速率等导航信息及陀螺的施 矩信息。
陀螺在施矩信息浸染下，通过平台 稳定回路掌握平台跟踪导航坐标系在惯性空 间的角速率。
而航行器的姿态和方位信息， 则从平台的框架轴上直接丈量得到。
捷联式惯性导航采取数学算法确定导航坐标 系，即加速度计和陀螺仪直接安装在运载体 上，得到信息量之后通过数学平台确定运载 体的速率、位置以及姿态等航向信息。

自动驾驶中IMU的上风

与其他导航系统比较，IMU主导的惯导系统具有信息全面，完备自主、高度暗藏、信息实时与连续，且不受韶光、地域 的限定和人为成分滋扰等主要特性，在城市峡谷或森林道路中，IMU不会受到多路径效应或旗子暗记衰减的影响。
在自动驾驶系统中，IMU数据与GNSS、视觉和其他探测和测距系统领悟，以补充GNSS更新之间的空隙，并在GNSS 和/或其他传感器受到影响时安全进行短时导航。
IMU数据始终可用，是任何自主车辆系统的一个组成部分，并可用于 在具寻衅性的环境中坚持车辆安全运行。

自动驾驶中的GNSS+RTK+IMU组合导航

当乘用车达到L3及以上自 动驾驶水平，车辆必将拥 有能够精准定位的装置。
目前乘用车的定位精度普 遍未能达到自动驾驶的要 求。
乘用车高精度定位应 用属于从0到1的环节，随 着自动驾驶级别的演进， 其主要性将日益增强。
目前行业内对自动驾驶车 真个事情模块紧张分为三 类：感知层，决策层和控 制层。
感知层依赖于卫星 定位、惯性定位、环境感 知等定位技能，来感知外 界、自己车辆状态，是自 动驾驶的前置条件。

IMU在早期四足机器人导航中的运用

四足机器人属于腿式机器人的一种， 可以自主行走，对恶劣繁芜地形的 适应性强，已经成为当今移动机器 人研究的热点。
四足机器人的运用 非常广泛，特种领域方面，四足机 器人可以进入人类无法进入的危险 场域；陪护领域方面，四足机器人 可以实现人际互换；军事领域方面， 四足机器人可以实现高运动性能的 作战移动平台。
作为自主导航机器人，机器必须实 时知晓自己的位置。
而IMU是丈量 物体三轴姿态角（或角速率）以及 加速度的设备，在机器人导航中有 着很主要的运用。
四足机器人从 IMU、激光雷达等传感器获取信息， 通过干系算法，实现即时定位与地 图构建。

IMU在人形机器人导航中的运用

早期机器人常日在躯干位置放置IMU，随着惯导系统在人形机器人中的运用逐渐成熟，头部也将放置IMU，和 立体视觉相机等组合进行定位及导航。

顶尖机器人运用IMU

ICM-42688-P是TDK针对机器人运动追踪运用推出的高性能6轴IMU。
TDK惯性 传感器系列由加速度传感器、陀螺仪传感器复合化的IMU构成，旗下的机器人 IMU在日本机器人行业中有很高的有名度。
这款6轴MEMS运动传感器，在性能上是绝对的行业领先。
它的噪声、灵敏度以 及随韶光和温度变革的偏置稳定性都处于很高的行业水平。
它的噪声、灵敏度以 及随韶光和温度变革的偏置稳定性都处于很高的行业水平。
个中的陀螺仪，最关 键的灵敏度偏差，依然是±0.5%这个绝对领先的数值。
在零速率偏移量上，可以 做到±0.5dps这种车载水平。
而在机器人运用中绝对主要的噪声密度，为 0.0028dps/√Hz，低密度的噪声让机器人更随意马虎获取自己的位置信息。
加速度计 同样是±0.5%的灵敏度偏差以及车载水平的±40mg零加速度偏移量。
噪声密度 为75dps/√Hz。
该IMU合营TDK旗下的RoboVac可以进一步提高运用程序性能的 独特功能，如与RTC同步的样本，20位的ADC，32kHz的ODR。
这个系列还有一个更直接的上风，功耗低。
在低噪声模式下的A+G为880μA；在 低功率模式下的A小于50μA。
对付移动机器人这类中小型机器人，低功耗器件往 往是厂商的第一选择。

IMU在人形机器人中的运用

IMU可丈量物体在 三维空间中的角速 度和加速度，并以 此解算出物体的姿 态，是机器人平衡 和稳定行走的关键 传感器。
由IMU主导的惯性 系统，可以在人形 机器人中实现惯性 导航、惯性丈量和 惯性稳控等多重功 能。
个中以惯性导 航的运用最为广泛。

人形机器人IMU方案

MEMS惯性传感器指采取MEMS工艺制备的惯性传感器，与传统工艺制造的惯性传感器比较，MEMS器件具有 体积小、重量轻、本钱低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和智能化等特点，被广泛运用于航 空航天、石油化工、汽车、船舶、消费电子、医疗等领域。
高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪、 MEMS加速度计和MEMS惯性丈量单元（IMU），均包含一颗微机器（MEMS）芯片和一颗专用掌握电路 （ASIC）芯片，并通过惯性技能实现物体运动姿态和运动轨迹的感知。

自动驾驶领域市场情形

目前来看，我国量产乘用车自动驾驶等级正在由L2向L3过度。
未来市场发展空间广阔。
在全新的自动化驾驶架 构下，汽车智能化的渗透率不断提升，传统汽车行业正面临着变革与转型，行业迎来新的发展机遇。
根据中汽协预测，2025年中国汽车销量或将达到3000万辆。
我们预测，2025年我国L3级以上（包含L3）自动驾驶的渗透率守旧估计为10%，乐不雅观估计为20%。

人形机器人领域市场情形

在中国市场上，人形机器人市场规模较小，但增长速率非常快。
恒州诚思报告显示，2019年中国人形机器人市场 规模大约为9.6亿美元，估量到2025年将达到30亿美元，折合公民币200亿，复合年增长率高达19.7%。
根据2023年5月GGII发布的报告预测，到2030年环球市场规模有望打破200亿美元。
参考中国做事机器人市场约 占环球市场25%的数值测算，2030年中国人形机器人市场规模将达50亿美元，折合公民币350亿。
人形机器人市场在环球范围内处于高速发展阶段，未来市场增长潜力巨大。
虽然中国市场规模相对较小，但增长 速率非常快，未来有望成为环球人形机器人市场的紧张增长之一。

IMU市场空间测算

我们估量2025年人形机器人IMU运用发展成熟，每台机器人须要4颗IMU提高机器人的精度，用来达到掌握身体姿态、头部稳定补偿以及 身体稳定的效果，而不但是目前初期的大略移动。
守旧估计下2025年自动驾驶L3及以上渗透率为10%，人形机器人出货量为50万台；乐不雅观估计下2025年自动驾驶L3及以上渗透率为20%， 人形机器人出货量为100万台。
IMU初期价格较高，未来随竞争对手增多，我们估量未来有望降到单价300的代价量，在预测等分别按照单颗IMU1000元、500元、300 元测算。

IMU家当链

IMU中的MEMS陀螺仪按照零偏稳定性的指标划为消费级（>15°/h）、战术级（0.15-15°/h）、导航级（0.01- 0.15°/h）、计策级（<0.01°/h）。
目前海内涵消费级完备自主可控，战术级达到1°/h以内的精度之后完备依赖于海 外入口，国产替代自主可控成为关键；目前紧张的运用处景为自动驾驶L3级以及以上的水平、人形机器人所须要的 IMU芯片精度须要达到1°/h以内。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。
如需利用干系信息，请参阅报告原文。
）

精选报告来源：【未来智库】。
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