惯性导航技术, IMU, AHRS

1.惯性导航技术

1.1.概述

惯性导航是一种不向外辐射能量，不接受外界信息，不与外界交互，仅通过测量加速度来解算运载体位置信息的自主导航定位方法。惯性导航系统能实时、准确测量位置、加速度、转动量（角度或角速度）等信息，是唯一可以输出完备的六自由度数据的设备。在航空航天、军武制导、无人机、机器人和智能驾驶等领域应用广泛

1.2.惯性导航原理

惯性导航系统以牛顿力学定律为基础，利用IMU测量载体的比力及角速度信息，结合输入的初始运动条件，与GNSS等系统进行信息融合，从而实时推算速度、位置、姿态等参数。基于该技术的惯性导航系统可装备于运载体（如飞机、船舶、汽车、无人机等）并用于实现导航定位，系统通过连续测得运载体角速度和线速度并进行积分运算即可连续、实时预测运载体的当前位置。

惯性测量单元是惯性导航系统的核心部件，组要组成是加速度计和陀螺仪，两者可以分别测量线加速度和角速度。惯性导航系统通常由一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪组成，输出三轴加速度和三轴角速度，共六自由度的数据。

1.2.1.加速度计

加速度计，即加速度检测装置，通常由外壳(与被测物体固连), 参考质量块, 敏感元件, 信号输出器等组成。大致原理是参考质量块经由弹簧,细杆,压电元件与外壳相连, 运动时发生形变, 转为电信号, 最后转为数字信号输出。一个三轴加速度计可以输出xyz三轴的线加速度。通常情况下，在地表由于一直存在重力加速度, 平放加速度计时z轴输出1g, 静止斜放时合成向下加速度也是1g, 据此可以计算出俯仰角pitch和横滚角roll。

1.2.2.陀螺仪

角运动检测装置，又称陀螺仪，可以输出初始的角速度数据。

• 传统机电陀螺目前仍是工程应用精度最高的陀螺，但结构尺寸较大，主要应用于战略核潜艇、战略导弹等战略级应用中；
• 光学陀螺整体上技术相对较为成熟，具有高精度、高可靠性的特点，基于高精度光学陀螺的惯性系统仍然是陆海空天等领域武器装备导航级应用的重要选择；同时，中低精度的光学陀螺在导弹武器和制导弹药等战术级领域也有广泛的应用；
• 微机电（MEMS）陀螺体积小、质量小、功耗低且成本适中，但精度相对偏低，目前主要应用于军用战术级市场和工业市场；
• 半球谐振陀螺同等精度下具有较好的尺寸、质量和成本效益，且可靠性高，国外基于半球谐振陀螺的惯性导航系统已成功应用于火炮和战车、快艇、太空发射器等陆海空天武器装备平台，未来随着半球谐振陀螺性能的提高和尺寸的减小，其应用范围也将不断扩展；
• 原子陀螺精度较高，但仍处于工程化探索阶段；加速度计朝着两级化发展，消费级加速度计成本不断下降，军用级加速度计性能不断提升。

从体积和成本角度出发，民用市场的IMU多采用微机电MEMS陀螺和光学陀螺。

1.2.3.磁力计

磁力计又称地磁计, 磁感器，可以输出三轴磁场强度(地磁场和周围磁场+传感器零偏+传感器噪声)。主要原理是各向异性磁致电阻检测磁场。通常，磁场与重力场越正交, 航姿测量效果越好; 纬度高时测量误差大; 在地磁南北极, 磁场朝下与重力场平行, 无法测量。

1.3.技术架构

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit）是惯性导航系统的核心组成器件。一般认为:

• ISA是由陀螺仪和加速度计组成的，仅输出初始数据的设备；
• IMU是ISA加上误差标定和温度补偿算法后，能输出优化后的六轴数据的设备；
• INS则是IMU的基础上引入了惯性导航算法，从六轴数据经积分、加权、滤波等得到姿态角或四元数数据的设备。但IMU存在漂移问题：加速度计受漂移影响较小，但受噪声影响非常大；陀螺仪受噪声影响较小，但存在漂移。由于在地球上始终存在向下的重力加速度，姿态角的俯仰角pitch和横滚角roll可以通过重力加速度做校正，从而得到准确的角度，但偏航角yaw的角速度方向与重力加速度相平行，只能通过陀螺仪的z轴角速度积分得到，长时间下会产生漂移。
• 因此在IMU的基础上加上磁力计，根据地磁场对偏航角做校正（有的还加上GNSS和气压计）得到了AHRS系统。

系统	组成	输出
ISA	陀螺仪+加速度计	原始数据
惯性测量单元IMU	ISA+误差标定补偿	补偿后数据
惯性导航系统INS	IMU+惯性导航算法	位置,速度,姿态角
航姿参考系统AHRS	IMU+磁力计+算法	位置,速度,姿态角

1.4.主要性能

1. 量程：IMU的量程通常由陀螺仪和加速度计的量程来衡量，陀螺仪以°/s为单位，通常车规级陀螺仪在300°/s量程可适用，一些特殊应用的机器人需要2000°/s以上的量程；加速度计的量程以g（重力加速度）为单位，车用加速度计一般要求量程到10g以上。
2. 电气性能：包括工作电压、工作电流、功耗等，机器人用IMU一般为3.3V或5V窄输入；而车载IMU一般会有宽范围输入，常见范围为9~36V；工作电流决定了发热性能，通常为几十到数百毫安。
3. 工作协议：常见的工作协议有can协议和rs232协议，这两种协议要求的线束较少，相对简单，另外还有I2C、I3C、SPI等等。
4. 防水等级：车规级一般为IP67
5. 价格：车用IMU价格可能在数千元
6. 误差性能：
   • 零偏bias: 理论上输出0, 但实际有一个小偏置, 可能还在一定范围内随机漂移
   • 噪声(noise): 统计学指标, 不能出厂前家坳准和补偿
     • 角度随机游走ARW: 描述噪声性能, 对角速率做积分时对噪声页做了积分
       • $0.12^{\circ }\sqrt{h}$: 一小时内有$67\%$可能性造成$\pm 0.12^{\circ }$误差
     • 角速率随机游走RRW: 角加速度噪声的积分
   • 零偏稳定性: 体现精度, 起始零偏为某个值, 过一段时间后变化的大小区间
   • 比例因子scale factor: 刻度误差, 实际与理论的固定误差
     • 速率斜坡: 趋势性误差, 可拟合消除, 通常时温度引起零位变化, 可通过温补消除
     • 非线性度: 比例因子非常数, 与角速度/加速度值相关, 接近满量程时表现最大
   • 陀螺的加计敏感度: 加速度(包括重力)会对陀螺零偏产生影响
   • 非正交性: 仅在三轴设备存在, IMU坐标轴非完全正交

1.5.应用

中国惯性导航行业应用包括军用和民用两部分，其中军用市场的应用占比约81.8%（按销售额统计），是中国惯性导航行业的主流应用。从参与主体角度分析，中国具备惯性传感器研究和制造实力的企业多集中于军工领域，而民营企业主要参与中游惯性导航系统的设计和制造。从发展情况分析，中国惯性导航军用市场保持逐年稳定增长态势，民用领域中，自动驾驶仍是蓝海市场，未来增长空间巨大。从技术方向分析，军用惯性技术将向高性能和高可靠性方向发展，民用惯性技术则将向高精度、低成本和小型化方向发展。

2.国内外现状

2.1.技术对比

• 陀螺仪可划分为激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪及半球谐振陀螺仪：
  • 激光陀螺仪由于具有高精度、高可靠性等特点，主要应用于武器装备等军用领域；
  • 光纤陀螺仪因其高精度、低成本而在军用领域均得到广泛应用；
  • MEMS陀螺仪由于体积小、成本适中、性价比最高等特点，在民用导航、控制领域及消费类市场更易得到普及和应用，是惯性导航民用领域应用最为广泛的陀螺仪；
  • 半球谐振陀螺结构简单、零件数仅为2-3个，是最具潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪，中国在该陀螺仪关键技术方面已实现部分突破，但在卫星和航天器应用 方面仍处于初步探索阶段。
• 中国惯性导航市场最为成熟的加速度计为MEMS加速度计和石英挠性加速度计
  • MEMS加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，MEMS加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟，广泛应用于消费电子等民用领域，Bosch、ST等头部企业合计占据中国加速度计器市场70%以上份额
  • 石英挠性加速度计精密度可达μg级别，广泛应用于在航空、惯性平台、地质勘探等领域；中国该技术发展成熟，已成功参与“天舟”、“神舟”及“嫦娥”系列飞行任务

2.1.产业链

中国惯性导航行业产业链分为上游、中游、下游三个环节，分别对应器件层、系统层和应用层，其中器件层对惯性导航系统起决定性作用，技术门槛最高，利润最大，也是产业链的核心部分。产业链上游参与主体为惯性传感器供应商（包括陀螺仪供应商和加速度计供应商）及GNSS元器件供应商；产业链中游参与主体是INS模块生产企业、GNSS模块生产企业及惯性组合导航系统集成商；产业链下游参与者为军用车、弹、航天、船舰等军工企业及消费电子、无人机、自动驾驶等相关行业民用企业。

2.2.市场

根据头豹研究院对中国惯性导航军用市场及民用市场的规模预测，2019年中国惯性导航军用市场规模为141.2亿元，民用市场规模为31.5亿元，合计共172.7亿元，其中军用市场占比为81.8%，是中国惯性导航的主要下游应用场景。因中国部队正在进行国防现代化建设，军用惯性导航更新换代需求旺盛，且在未来一段时间内都将保持高需求态势，军用市场在未来仍将保持惯性导航最大下游应用市场的地位。在民用市场方面，受益于中国无人机（百亿级市场）及无人驾驶（预计将有万亿级市场）行业的发展，未来民用应用占比将逐年提升，至2024年有望提升至27.8%。
在下游军用和民用市场的双重刺激下，2019至2024年中国惯性导航行业市场规模（按销售额统计）有望从172.7亿元人民币增长至429.7亿元人民币，年复合增长率达20.0%。

3.发展趋势

短期内各陀螺仪将凭借自身优势重点应用于不同领域长期预测高精度MEMS及半球谐振陀螺仪将获得快速发展。未来各类陀螺仪将凭借自身优势重点应用于不同领域。在战略级（航天航海领域）市场，激光陀螺仪因优越的温度稳定性而占据市场主要地位，在导航级（弹武器）领域，激光和光纤陀螺仪将共享市场空间，在战术级（地面武装器和飞行器）领域，尤其是在高端应用场景，光纤陀螺仪将依然扮演重要角色，而在商业级（汽车及消费电子）领域，MEMS陀螺仪将凭借高性价比持续保持统治地位。

长期来看，半球谐振陀螺仪的带宽可达到光学陀螺（激光、光纤、MEMS陀螺仪统称）水准，同时其体积、质量、功耗、零偏稳定性、温度稳定性、及角度随机游走等指标优势明显。赛峰公司认为半球谐振陀螺仪未来将替代光学陀螺在军用市场的地位和市场份额，而MEMS陀螺仪因其高性价比将持续在商业级市场占据领先地位，但将向高精度方向演化。

参考

• [1]惯性导航基本概念
• [2]AHRS和IMU区别
• [3]磁力计, 校准方法
• [4]高端AHRS, Surpass-AHRS
• [5]六轴陀螺仪不得到准确Yaw, 一些开源算法
• [6]姿态,导航,IMU,AHRS等一系列文章
• [7]2020中国惯性导航行业概览
• [8]2021年国外惯性技术发展与回顾