MEMS惯性导航趋势分析:高精度MEMS陀螺仪将取代光纤陀螺仪!

近几年来,MEMS惯性传感器发展迅速,精度不断提高,且价格低、体积小、重量轻,使MEMS惯性导航系统在惯性导航系统中发挥重要作用。

  惯性导航,是一种自主式导航系统,不依赖外界信息,不易受到干扰,可全天侯工作,所以广泛应用于各行各业里。其中,基于微机电系统(MEMS)惯性传感器的MEMS惯性导航是惯性导航的一个重要分支,其系统具有成本低、体积小、功耗低以及抗冲击强等优点,普遍应用在自动驾驶、无人机、无人船等领域里。

  MEMS惯性传感器主要包含MEMS加速度计和MEMS陀螺仪,最早于在1990年代规模应用在汽车工业和国防工业,20世纪初开始应用于手机等消费电子领域,未来随着5G与物联网的快速发展,将有望出现一波增长浪潮,同时,随着传感技术的发展,MEMS惯性导航也在不断发生变化...


  物联网风口下,MEMS惯性传感器应用需求将大幅增长

  MEMS传感器是物联网、人工智能、5G等新一代信息技术的感知基础和数据来源,受益于人工智能、5G、物联网等新产业高速发展带动,预计未来MEMS产业将有较快增长。

  预估到2030年时,连结物联网的传感器数量将超过一百兆个之多。如此庞大的传感器需求规模,将能为传感器厂商带来丰厚利润的市场机会。根据相关市场调研数据,全球MEMS市场结构中消费电子领域占比最高,所以应用在消费电子领域的MEMS传感器将迎来重大机遇。

  其中低精度的MEMS惯性传感器目前已应用在各种消费电子中,如手机、游戏机、无线鼠标、数码相机、计步器、玩具级无人机、智能运动器械等,占领了大部分的市场份额。消费电子市场规模巨大,涉及行业巨多,随着物联网的进一步开发,智能硬件的使用量将大增,预期MEMS惯性传感器的应用需求将会大幅增长。


  高精度MEMS陀螺仪将取代光纤陀螺仪

  近几年来,MEMS惯性传感器发展迅速,精度不断提高。虽然精度相比光纤陀螺、激光陀螺仍有很大差距,但是其价格低、体积小、重量轻,使MEMS惯性导航系统在惯性导航系统中发挥重要作用。

  按精度细分,陀螺仪可分为商用陀螺仪、战术陀螺仪、导航陀螺仪、战略陀螺仪。现阶段,市场和技术发展最快的是MEMS陀螺仪,受益于智能手机对MEMS陀螺仪的采用,其市场规模实现巨大增长。据美国Draper实验室对2020年陀螺仪的分析和预测,2020年,石英/硅微机电MEMS陀螺将占领中低精度应用领域,即消费级应用。基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等,这些基本的物理信号通过应用程序的开发,可以衍生出各种各样的功能。


  2020年陀螺仪发展趋势

  另外,尽管当前在战略级高精度应用领域(以航天和国防领域为代表),是光纤陀螺的天下。但未来随着MEMS材料工艺与制造工艺不断发展,MEMS惯性传感器将向着轻质、小型化方向发展,MEMS惯性导航系统精度不断提高,其成本也将不断降低,因此采用战略级高精度MEMS陀螺仪取代光纤陀螺仪是一个重要发展趋势。

  如今,部分高精度的MEMS惯性传感器应用在智能炮弹、光学瞄准稳定系统、水下物体导航、飞机姿态监控、战场机器人等上面,更是防空导弹、反坦克导弹、便携式导弹等制导武器系统的必然选择。有预计称,到2020年,美军九成的制导武器将采用MEMS惯性传感器。


  MEMS惯性导航与GPS组合导航仍是主流

  诚然MEMS惯性传感器精度在不断进步,但是战术级MEMS惯性导航系统误差随时间积累仍然发散较大,在很多场合还不能满足高精度的要求,故MEMS惯性导航与GPS组合导航仍然是主要导航方式。

  通过GPS导航信息的辅助,能修正惯性导航系统的误差,有效抑制惯性导航系统的误差发散,由此提高整个导航系统的精度。一般情况下,我们可以通过卡尔曼滤波算法、互补滤波算法或神经网络等算法来进行两个导航系统的数据融合,获得最佳的导航结果。当GPS无法工作时,单独利用惯性导航依然能够确保系统在较长时间内的正常工作;高精度GPS定位可以补偿惯性导航的误差。

  另外,在目前硬件加工技术发展较慢的前提下,研究精度以及效率更高、鲁棒性更强的算法,在软件方面给予组合导航系统支持也是重要的发展方向。

  比如今年年初,日本TDK公司就推出了一款面向自动驾驶平台开发商的惯性辅助定位软件Inven Sense Coursa Drive,从算法层面提高惯性导航的精度。

  Coursa Drive不仅将纯惯性车辆定位的精度缩小到了行驶距离的0.2%,这对于在具有挑战性的GNSS/感知系统环境中保持分米级精度的车辆定位至关重要;还为自动驾驶汽车系统提供高速率的位置和方向信息,补充了GNSS和感知系统的低速率位置参考。另外,Coursa Drive的离线模式重新处理惯性导航系统数据的精度比实时模式高2~3倍,为高清地图公司提供了替代位置参考,以验证高清地图的准确性。

  如今,高精度组合导航定位已经成为自动驾驶的“刚需”。隧道、城市峡谷、高架、地下车库一直是车载定位的痛点,原因是当车辆行驶在以上复杂环境中,卫星信号被遮挡或干扰,导致定位精度的下降,甚至形成定位的盲区。而惯性+GPS组合导航系统可以解决这些痛点问题,因为惯导恰好可以弥补卫导定位的短板。通过惯导信息对GPS定位数据的平滑,可有效遏制轨迹漂移问题,室外定位轨迹更加连续、平滑;利用惯导推算可实现较长时间的自主、准确定位。


  聚集中高端MEMS惯性传感器,是中国企业突围而出的必然选择

  我国在MEMS传感器领域的研究起步较晚,虽然经过近些年的努力,技术有所进步,但与国外还有明显的差距,尤其是中高端传感器技术。

  目前,国内很多用户使用的是西方国家不限制进口的高性能MEMS惯性传感器中相对低端的产品,如Colibrys的加速度计、Sensonor的陀螺仪等,甚至使用中档性能的工业级产品,如ADI的陀螺仪等。所以,中高端市场用户需求迫切。

  同时,中低端市场,由于竞争者众多,产品的售价不断下降,毛利润不断下降。过去五年中,MEMS产业主要由消费类电子驱动发展,MEMS器件出货量不断攀升。后来随着MEMS器件尺寸也不断减小,价格不停在下跌,利润逐渐萎缩,使得MEMS企业的日子越来越艰难。

  在这样的市场环境下,加大力度研发中高端MEMS惯性传感器是我国拉近与国外企业差距的方法之一,同时也是中国企业突围而出的必然选择。

  另外,抓住新蓝海市场也是厂商弯道超车的机会。在未来,无人机和虚拟现实设备有望成为MEMS传感器应用新蓝海,众多厂商推出六轴/九轴/十轴的MEMS器件,多集成度的MEMS器件也逐渐受到更多的青睐。

  在无人系统领域有着巨大的应用潜力

  MEMS惯性导航在过去数十年内得到了迅速发展,在无人系统领域内得到了越来越多的应用,其作为未来惯性导航的主要发展方向,正在展现出强大的潜力以及良好的应用前景。

  无人机

  在近几年来,微小型无人机在军用以及民用领域内发挥着越来越重要的作用,而为了实现无人机自身的定位以及定位问题,航姿测控系统发挥着至关重要的作用。航姿测控系统主要由GPS天线、GPS接收板、捷联式磁传感器、惯性测量单元、高度空速传感器以及调理单元构成。传感器的精度直接决定无人机位姿的精度,传感器采集到的数据通过导航算法计算出无人机的位置姿态信息。

  目前无人机的导航主要采取将MEMS惯性导航系统与GPS组合的手段,这样既可以提高系统精度,又可以缩短初始对准的时间。如今无人机上面搭载的导航系统精度为消费级,如InvensenseMP6500的精度为2°/s,而随着MEMS器件精度的提高以及成本的降低,未来无人机的导航精度将提高。


  无人车

  无人车是通过车载传感器来感知外界环境,并且获取车辆位置、姿态信息以及障碍物信息,从而控制车辆行驶速度、转向以及起停等。

  当无人车行走到高大建筑物下,且GPS被遮挡而无法正常工作时,无人车上搭载的惯性导航系统短时间内的精度可以满足车辆自主前行的需求。无人车上的MEMS惯性导航系统,一般精度要求较高。

  无人船

  由于边境巡逻、水质勘探等任务所采取普通的舰船设备较为危险并且成本较高,致使无人船技术发展迅速。获取无人船位置姿态信息是无人船能够自主开展工作的重要前提。

  如今无人船上配备的传感器主要有GPS,MEMS惯性导航系统及避障雷达等。随着MEMS惯性导航系统精度的提高,惯性导航系统在无人船的位置姿态信息获取中发挥着至关重要的作用。无人船上搭载的MEMS惯性导航系统,一般消费级的中低精度即可满足需求。

  MEMS惯性导航除了应用在我们生活的环境里,实现各种无人操作。未来,随着MEMS惯性导航精度和稳定性不断提高,MEMS惯性导航技术还必将会应用在航空航天领域,如航天器、卫星等无人系统中,成为重要的一员。

  最后,在智能时代,有着自主特性的惯性导航,正好符合这个时代对电子硬件“独立”且“智能”的需求,前景可期。

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