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1 IMU 是慣性定位技術(shù)的核心設(shè)備，通常包括三個(gè)軸向的陀螺和加速度計(jì)

1.1 IMU 是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置

IMU（Inertial Measurement Unit），即慣性測(cè)量單元，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置。一個(gè) IMU 通常包含三個(gè)軸向的陀螺儀和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，以測(cè)量物體在三維空間中的角速率和加速度，包含磁力計(jì)的 IMU 還可以通過(guò)測(cè)量與地區(qū)磁場(chǎng)的夾角來(lái)確定當(dāng)前的朝向，彌補(bǔ)加速度計(jì)在水平面上的測(cè)量缺失問(wèn)題。IMU是慣性定位技術(shù)的核心設(shè)備，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償和慣性導(dǎo)航解算，最終輸出載體相對(duì)初始位置的坐標(biāo)變化量、速度等導(dǎo)航信息。

陀螺儀傳感器測(cè)量角度位置變化，通常以每秒度數(shù)來(lái)衡量，隨時(shí)間進(jìn)行角速度積分可測(cè)得行程角度，用于追蹤方向變化，加速度計(jì)測(cè)量線性加速度，包括設(shè)備運(yùn)動(dòng)的加速度和重力加速度。陀螺儀因?yàn)闆](méi)有固定參照系，隨著時(shí)間推移會(huì)產(chǎn)生漂移，引入加速度計(jì)可以減少陀螺儀的偏置，提高定位精度。加速度計(jì)比較適合靜態(tài)測(cè)量，并且加速度計(jì)由于反應(yīng)迅速通常會(huì)有受到噪音、抖動(dòng)的影響，導(dǎo)致其測(cè)量數(shù)據(jù)失真，因此會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波來(lái)提高精度。
IMU主要用于自主測(cè)量和反饋物體運(yùn)動(dòng)速度和角度的變化，并與衛(wèi)星等其他導(dǎo)航模塊形成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合慣性系統(tǒng)等，經(jīng)集成在相關(guān)設(shè)備中發(fā)揮慣性導(dǎo)航、慣性測(cè)量和慣性穩(wěn)控的作用。早期的 IMU 主要用于給導(dǎo)彈、潛艇、船舶等做慣性導(dǎo)航，在導(dǎo)航應(yīng)用中，可以通過(guò)科爾曼濾波融合陀螺儀角速度積分與加速度計(jì)重力矢量結(jié)算達(dá)到的位置來(lái)估算高精度姿態(tài)。目前 IMU 的應(yīng)用更加廣泛，在消費(fèi)領(lǐng)域（智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)設(shè)備、游戲手柄等）、醫(yī)療、汽車(chē)、工業(yè)均有應(yīng)用。
（1） 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件是陀螺儀和加速度計(jì)。通常情況下，每套慣性系統(tǒng)包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別測(cè)量三個(gè)自由度的角速率和線加速度；通過(guò)對(duì)角速率和線加速度按時(shí)間積分以及疊加運(yùn)算，可以動(dòng)態(tài)確定自身位置變化，從而確定自身移動(dòng)軌跡以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。除獨(dú)立使用外，慣性導(dǎo)航還可以與衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)合使用，形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

2） 慣性測(cè)量

慣性測(cè)量系統(tǒng)是利用陀螺儀、加速度計(jì)等慣性敏感元件和電子計(jì)算機(jī)測(cè)量載體相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù)的組合系統(tǒng)。目前已被應(yīng)用于石油測(cè)斜、城市測(cè)繪、地質(zhì)監(jiān)測(cè)、尋北儀表等領(lǐng)域。例如，陀螺尋北儀通常采用陀螺儀和加速度計(jì)的組合方案，利用陀螺儀測(cè)量地球旋轉(zhuǎn)角速率的水平分量以獲得載體的北向信息，利用加速度計(jì)測(cè)量陀螺的姿態(tài)角，對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)多位置法消除陀螺儀和加速度計(jì)的零偏影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到陀螺儀轉(zhuǎn)軸與正北方向的夾角。

（3） 慣性穩(wěn)控

慣性穩(wěn)控是通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)姿態(tài)與位置變化，利用伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，使被穩(wěn)定對(duì)象與設(shè)定目標(biāo)保持相對(duì)穩(wěn)定的裝置。慣性穩(wěn)控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號(hào)，利用控制算法進(jìn)行伺服結(jié)構(gòu)的控制，保持在外部干擾情況下平臺(tái)的穩(wěn)定，提高平臺(tái)設(shè)備工作的性能。慣性穩(wěn)控因其隔離載體干擾的能力，在各類運(yùn)動(dòng)平臺(tái)得到了廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的慣性穩(wěn)控包括動(dòng)中通天線，光電吊艙，攝像平臺(tái)等。隨著 MEMS 陀螺儀性能的不斷提高，MEMS 陀螺儀在慣性穩(wěn)控系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

IMU 的誤差主要由零偏、比例因子和軸偏差引起。
1) 零偏：當(dāng) IMU 靜止放置時(shí)，加速度計(jì)三軸應(yīng)輸出[0,0,g]，其中 g 為重力加速度，陀螺儀三軸應(yīng)輸出[0,0,0]，但因加工工藝不可避免帶來(lái)誤差，導(dǎo)致靜止輸出會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生緩慢變化，造成數(shù)據(jù)漂移；2) 比例因子：可以認(rèn)為是信號(hào)輸出斜率，比如 IMU 內(nèi)部隨著時(shí)間跟溫度的變化，會(huì)帶來(lái)溫度漂移，隨著溫度的變化，溫漂不斷變化，近似直線；3) 軸偏差：理想情況下，XYZ 三軸相互正交，且加速度計(jì)與陀螺儀相互重合，但一般加速度計(jì)與陀螺儀分開(kāi)制造及裝配，其坐標(biāo)系并不重合，因此帶來(lái)了軸偏角誤差。
因此，IMU的陀螺儀和加速度計(jì)特性會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境的變化而變化。加速度計(jì)對(duì) IMU 的影響主要體現(xiàn)在加速度計(jì)的精度和穩(wěn)定性兩個(gè)方面，加速度計(jì)的高精度是為保障后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精確性，加速度計(jì)的穩(wěn)定性則是直接影響 IMU 能否發(fā)揮出正常性能的關(guān)鍵因素。陀螺儀對(duì) IMU 的影響主要體現(xiàn)在其精確性上，最后 IMU 能否正確感知產(chǎn)品的姿態(tài)就是依靠陀螺儀的精確性。

1.2 IMU 核心組成部分——加速度計(jì)

三軸加速度傳感器是一種基于加速度的基本原理實(shí)現(xiàn)的慣性傳感器，能夠測(cè)量物體的比力和角度。比力指去掉重力后的整體加速度或者單位質(zhì)量上作用的非引力。當(dāng)加速度計(jì)保持靜止時(shí)，加速度計(jì)能夠感知重力加速度，而整體加速度為零。
在自由落體運(yùn)動(dòng)中，整體加速度就是重力加速度，但加速度計(jì)內(nèi)部處于失重狀態(tài)，而此時(shí)三軸加速度計(jì)輸出為零。測(cè)量角度時(shí)，彈簧壓縮量由加速計(jì)與地面的角度決定。比力能夠通過(guò)彈簧壓縮長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量。因此，在沒(méi)有外力作用的情況下，加速度計(jì)能夠精確地測(cè)量俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，且沒(méi)有積累誤差。

常見(jiàn)的加速度計(jì)有機(jī)械擺式加速度計(jì)、石英加速度計(jì)、MEMS 加速度計(jì)等。根據(jù)核心性能參數(shù)一般分為戰(zhàn)略級(jí)、導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)、消費(fèi)級(jí)，其中機(jī)械擺式加速度計(jì)及高精度石英諧振加速度計(jì)按照性能主要?dú)w類為戰(zhàn)略級(jí)和導(dǎo)航級(jí)，主要應(yīng)用于航天、航海陸地巡航等領(lǐng)域；MEMS 加速度計(jì)和石英加速度計(jì)主要屬于戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)，主要用于航空、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人系統(tǒng)及高端工業(yè)領(lǐng)域。

零偏穩(wěn)定性：基于 ALLAN 方差方法，衡量加速度計(jì)在一個(gè)工作周期內(nèi)，當(dāng)輸入線加速度為零時(shí)，加速度計(jì)輸出值圍繞其均值的離散程度。數(shù)值越小表示性能越高。

標(biāo)度因數(shù)精度：表征加速度計(jì)由于溫度變化、非線性、重復(fù)性等影響因素，標(biāo)度因數(shù)圍繞其均值的離散程度，一般用 ppm（parts per million）表示。數(shù)值越小表示性能越高。
MEMS 三軸加速度計(jì)一般采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的比力(壓力或者位移)分別正比于電阻、電壓和電容的變化，這些變化可以通過(guò)相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集，其中電容式加速度計(jì)應(yīng)用最為廣泛。該傳感器的缺點(diǎn)是受振動(dòng)影響較大。
（1） 電容式加速度計(jì)體積尺寸小、靈敏度高、溫度敏感性低、可高度集成，因而在手機(jī)、汽車(chē)等消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛，在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)使用量占比超過(guò) 90%；

（2） 相對(duì)電容式加速度計(jì)，壓電式和壓阻式加速度計(jì)測(cè)量范圍大、耐用性好、抗干擾性強(qiáng)，通常用于中高端應(yīng)用市場(chǎng)，如工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)器及工具運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等。

不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)铀俣扔?jì)性能的關(guān)注點(diǎn)不同，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域差異針對(duì)性地對(duì)加速度計(jì)性能參數(shù)進(jìn)行選擇至關(guān)重要。消費(fèi)電子、汽車(chē)、工業(yè)、軍事武器和航空航天道航等領(lǐng)域?qū)Ρ粶y(cè)物體加速度、傾斜、振動(dòng)或沖擊等方面的測(cè)量需求存在差異，例如，手機(jī)、可穿戴等消費(fèi)電子對(duì)加速度計(jì)成本、功耗要求高，對(duì)穩(wěn)定性、誤差等方面無(wú)嚴(yán)苛要求。而戰(zhàn)術(shù)、道航等應(yīng)用對(duì)加速度計(jì)誤差和穩(wěn)定性要求更高，成本、功耗不是該類應(yīng)用關(guān)注重點(diǎn)。

1.3 IMU 核心組成部分——陀螺儀

陀螺儀用于測(cè)量單元中的角速度及對(duì)角速度積分后角度的計(jì)算，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測(cè)量精度直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性。

三軸陀螺儀的工作原理基于科里奧利力（Coriolis force），簡(jiǎn)稱科氏力。來(lái)自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性，是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。
當(dāng)本來(lái)直線的運(yùn)動(dòng)放在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體系中直線軌跡會(huì)發(fā)生偏移，而實(shí)際上直線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題并未受到力的作用，設(shè)立這樣一個(gè)虛擬的力稱為科里奧利力。由此在陀螺儀中，選用兩塊物體，它們處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，并令它們運(yùn)動(dòng)的相位相差-180 度，即兩個(gè)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)速度方向相反，而大小相同。它們產(chǎn)生的科氏力相反，從而壓迫兩塊對(duì)應(yīng)的電容板移動(dòng)，產(chǎn)生電容差分變化。電容的變化正比于旋轉(zhuǎn)角速度。
由電容即可得到旋轉(zhuǎn)角度變化。

陀螺儀按照技術(shù)分類可分為環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀、動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、半球諧振陀螺儀、靜電懸浮陀螺儀、MEMS 陀螺儀等。目前市場(chǎng)上大量使用的陀螺儀主要包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和 MEMS 陀螺儀，其中激光陀螺儀和光纖陀螺儀分別屬于第一代光學(xué)陀螺儀和第二代光學(xué)陀螺儀。激光陀螺儀和光纖陀螺儀均利用光程差的原理來(lái)測(cè)量角速度，但是由于光纖可以進(jìn)行繞制，檢測(cè)靈敏度和分辨率提高，能夠有效克服激光陀螺儀的閉鎖問(wèn)題。MEMS 陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點(diǎn)，因此，雖然其精度較激光陀螺儀與光纖陀螺儀低，但仍具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

MEMS 陀螺儀的分類方式眾多，較為基本的分類方式是根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行劃分，可分為速率級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和慣性級(jí)。其中速率級(jí)性能要求最低，是目前使用最為常見(jiàn)的 MEMS 陀螺儀類型，廣泛用于消費(fèi)電子和汽車(chē)電子等領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級(jí)性能要求最高，多用于航空航天等領(lǐng)域。

MEMS 陀螺儀在其應(yīng)用領(lǐng)域中的功能用途豐富，可為消費(fèi)電子、汽車(chē)、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域提供低成本和高度智能化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。從性價(jià)比、體積尺寸、可靠性等方面綜合考慮，MEMS陀螺儀在其應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著不可替代的角色。

2 IMU 市場(chǎng)規(guī)模與格局

2.1 IMU 具備性能優(yōu)勢(shì)，高性能 IMU 或?qū)⒏咚僭鲩L(zhǎng)

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），即微機(jī)電系統(tǒng)，是微電路和微機(jī)械系統(tǒng)按功能要求在芯片上的集成，通過(guò)采用半導(dǎo)體加工技術(shù)能夠?qū)㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)的尺寸縮小到毫米或微米級(jí)。MEMS 慣性傳感器屬于 MEMS 傳感器的重要分支，主要包括陀螺儀、加速度計(jì)等，并可通過(guò)組合形成慣性組合傳感器 IMU。
近年來(lái)，受益于汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、光通信、工業(yè)控制、儀表儀器等市場(chǎng)的高速成長(zhǎng)，MEMS 行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。MEMS 慣性傳感器的全球市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 99.94 億美元增加至 2021 年的 135.95 億美元，預(yù)計(jì) 2027 年將達(dá)到 222.53 億美元，2021 年至 2027 年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 8.56%。

消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制為 MEMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì) 2018年至 2027年期間消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制的市場(chǎng)占 MEMS 總市場(chǎng)規(guī)模的比例一直在 80%以上，其中消費(fèi)電子占比最高，占比一直保持在 50%以上。

根據(jù) Yole Intelligence 的統(tǒng)計(jì)，全球 MEMS 慣性傳感器的市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的194.46 億元、31.21 億顆增長(zhǎng)至 2021 年的 239.61 億元、39.39 億顆，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將于 2027 年增長(zhǎng)至 334.18 億元、60.61 億顆。其中，全球 MEMS 加速度計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 63.98 億元、10.23 億顆增長(zhǎng)至 2021 年的 85.33 億元、15.37 億顆，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將于 2027 年增長(zhǎng)至 114.87 億元、24.28 億顆。

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