IMU惯导行业深度报告：精准定位，智能升级

报告出品方：长江证券

以下为报告原文节选

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IMU：应用广泛的位置传感单元

IMU（Inertial Measuring Unit，惯性测量单元）是一种能够测量物体在三个正交方向的加速度和角加速度的装置。基于 IMU 采集的数据，可以进一步处理从而获得物体的速度和位移等位置信息。

IMU 的应用场景广泛，导航为前景广阔的重要场景之一。高性能 IMU 应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能 IMU 主要应用于消费电子和汽车等领域。其中，伴随着无人系统、自动驾驶的快速发展，导航已成为前景最为广阔的应用场景之一。

以自动驾驶为例，现在通常的车载惯性传感器组件可以测量某个方向的运动状态，而惯性测量单元（IMU）作为一个嵌入了三轴线性加速度计和三轴角速度陀螺仪的模块，可测量六个自由度（“6 DOF 或六轴”）。通过组成六轴结构的线性运动 （三维空间）和旋转测量组件（滚动，俯仰和偏航），IMU 能够捕获车辆运动状态的全部分量。IMU 不仅仅可用于安全气囊和车辆稳定性控制，并且可以实时跟踪计算车辆的位置和方向。因此，IMU 通过精确校准消除温度和偏差漂移后，结合扩展卡尔曼滤波器算法能在短时间内对车辆进行精准定位，且不需要任何辅助。更先进的系统会融合车轮速度和角度信息，以辅助卡尔曼滤波器定位估计，进一步提高定位精度。
IMU 可以验证 RTK GPS 结果的自洽性，并对无法自洽的绝对定位数据进行滤波和修正，还可以在 RTK GPS 信号消失之后，仍然提供持续若干秒的亚米级定位精度，为自动驾驶汽车争取宝贵的异常处理的时间。同样的道理，IMU 也可以在相对定位失效时，对相对定位的结果进行航迹推演，在一段时间内保持相对定位的精度；例如，在车道线识别模块失效时，基于失效前感知到的道路信息和 IMU 对汽车航迹的推演，仍然能够让汽车继续在车道内行驶。

对于平衡感知和动作灵敏度要求较高的机器人而言，IMU 模块更是核心组成之一。以RH5 机器人为例，其配有多种传感器：IMU（惯性测量单元）、关节编码器、力扭矩传感器、足部接触传感器和立体声摄像机，其中本体感觉状态估计系统由 IMU 传感器、关节编码器和足部接触传感器组成。外部运动捕捉系统由 3 台连接到计算机的摄像机组成，用于跟踪机器人 IMU 框架上的反射标记，为全身控制器提供准确快速的状态反馈，并通过网络实时传输数据，检索人形浮动基的姿态，与基于 IMU 数据的本体感觉状态估计方法进行直接比较。

惯性导航不易受外界干扰、短时精度高

导航是指引物体从一个地方移动到另一个地方的过程。导航技术通常包括定位、与已知位置比较两个环节。在古代，天体导航技术即基于太阳、月球、行星和导航星的位置来确定当前所处的位置。现代导航技术主要包括无线电导航、雷达导航、卫星导航和惯性导航等多个类别。
无线电导航：利用电磁波波速恒定的特性，通过陆基无线电波的接收、发射和处理来测量所在载体相对于导航台的方向、距离、速度等导航参量。经典的无线电导航系统有Loran-A、Loran-C 和 Omega 等。

雷达导航：向物标反射器主动发射脉冲电波，并接收、放大反射波，经检波后作为图像信号显示。通过物标的方位和距离测定雷达位置并进行导航。
卫星导航：通过接收和处理导航卫星信号，从而对地面、海洋、空中和空间用户进行导航的技术。依据星座的不同，卫星导航可分为 GPS 导航、北斗星导航等。
惯性导航：通过测量载体在惯性参考系下的角速度和加速度来实现导航的技术。

惯性导航具有不易受外界干扰、短时精度高等优点。相较于无线电导航和雷达导航，惯性导航的应用限制较少，应用范围更广。与卫星导航相比，惯性导航可额外提供姿态信息。同时，惯性导航可以进行实时、连续工作，其数据的更新频率快、短时精度高。

加速度计和陀螺仪是惯性导航的核心

惯性导航的基本工作原理是利用陀螺仪和加速度计测量载体在惯性参考系下的角速度和加速度，并对时间进行积分以计算载体的速度和位移，从而得到相对于最初位置的移动距离和移动方向。

根据构建导航坐标系方法的不同，惯性导航分为平台式惯性导航和捷联式惯性导航。平台式惯性导航是采用物理平台模拟导航坐标系统，以物理平台跟踪解算所需的导航坐标系。捷联式惯性导航是将加速度计和陀螺仪直接安装于载体，以加速度计和陀螺仪采集的数据直接求解位置信息。

捷联式惯性导航具有体积、成本和可靠性的优势，已成为惯导的发展方向。捷联式惯性导航虽然对加速度计和陀螺仪的精度、算力提出了更高的要求，但无需复杂机电平台，因而在体积、成本和可靠性等方面具有一定的优势。自上世纪 80 年代以来，捷联式惯性导航已成为重要的发展方向。

MEMS 惯导有望在民用市场大规模应用

根据加速度计和陀螺仪类型不同，IMU 惯导可分为多种类型。其中，MEMS 惯导体积小、成本低，有望在民用市场中大规模应用。
MEMS 加速度计为目前较为先进的类型之一

加速度计是基于牛顿第二定律感知物体线加速度的传感器，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。加速度计种类较多，目前应用较广的类型有液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计、石英振梁加速度计和 MEMS 加速度计等。液浮摆式加速度计、挠性加速度计技术已较为成熟，而 MEMS 加速度计近年来发展迅速。
MEMS 加速度计在尺寸、性能、智能化等方面都具有一定优势，是当前最为先进的加速度计之一。MEMS 加速度计通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。依据工作原理的不同，MEMS 加速度计可以分为电容式、压电式、热感式、谐振式等类型。其中，凭借检测精度高、受温度影响小、功耗低、宽动态范围以及可以测量静态加速度等优点，电容式 MEMS 加速度计是目前应用最多的类型之一。加速度计的性能指标较多，零偏稳定性、零偏重复性、线速度随机游走和标度因数精度为四个核心性能指标。

根据核心性能指标，加速度计可分为战略级、导航级、战术级、消费级四大类。其中，战略级对加速度计的零偏稳定性和标度因数精度的要求最高。惯性导航所需的导航级虽未达到战略级的性能指标要求，但要求已高于战术级和消费级。

MEMS 陀螺仪为目前较为先进的商用陀螺仪

陀螺仪是一种测量物体角速度的传感装置。陀螺仪技术通常可分为四代，MEMS 陀螺仪是第三代陀螺仪的代表，是目前商用陀螺仪中较为先进的类型。
1）基于牛顿经典力学原理的第一代陀螺仪。其优点为种类多、精度高，缺点为体积质量大、系统组成结构复杂、性能受机械结构复杂性和极限精度制约、产品制造维护成本昂贵。典型的第一代陀螺仪为静电陀螺和动力调谐陀螺。
2）基于萨格奈克效应的第二代陀螺仪。其优点是精度高、反应时间短、动态范围大、可靠性高、环境适应性强、易维护、寿命长，缺点为成本高、体积大。光学陀螺技术较为成熟，已得到批量应用，典型的第二代陀螺仪为激光陀螺和光纤陀螺。
3）基于哥氏振动效应和微纳加工技术的第三代陀螺仪。其典型代表是半球谐振陀螺和MEMS 陀螺。受限于结构及制造技术，半球谐振陀螺的量产难度较高。MEMS 陀螺仪具有体积小、重量轻、环境适应性强、价格低、易于大批量生产等特点，得到了较为广泛的应用。
4）基于现代量子力学技术的第四代陀螺仪。其优点为高精度、高可靠、小型化，但目前仍处于早期研究阶段。典型的第四代陀螺仪为核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。

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