如果無(wú)人駕駛系統(tǒng)只使用16線激光雷達(dá)，那么慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是無(wú)人駕駛中最昂貴的部件，價(jià)格大約在18-20萬(wàn)之間，至于64線激光雷達(dá)，Velodyne曾經(jīng)說(shuō)過(guò)量達(dá)到一定級(jí)別，價(jià)格可以不到1萬(wàn)美元，而Waymo更宣稱(chēng)自己的64線激光雷達(dá)成本只有Velodyne的10%。也就是不到1萬(wàn)美元。

而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自從10年前就開(kāi)始用在街景采集、無(wú)人機(jī)、測(cè)繪領(lǐng)域、無(wú)人駕駛，價(jià)格一直未有明顯下降。其原因很簡(jiǎn)單，激光雷達(dá)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，新興激光雷達(dá)公司近百家，而無(wú)人駕駛所需要的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其最核心的MEMS IMU模塊，只有ADI和挪威的Sensonor。Sensonor的出貨量極低，主要針對(duì)高端市場(chǎng)，其最常見(jiàn)的產(chǎn)品為STIM 300，價(jià)格高達(dá)1萬(wàn)美元，使用這個(gè)模塊的慣性導(dǎo)航，價(jià)格最少也在5萬(wàn)美元以上。



上圖為百度無(wú)人車(chē)，其GPS定位和慣性測(cè)量單元都由NovAtel提供，價(jià)格大約20-25萬(wàn)左右，IMU 為NovAtel IMU-IGM-A1 ，GPS接收機(jī)為NovAtelProPak6。 IMU-IGM-A1通過(guò)內(nèi)置的微處理器，能夠以最高 200Hz 的頻率，輸出實(shí)時(shí)的高精度三維位置、速度、姿態(tài)信息，也是目前 NovAtel 產(chǎn)品中體積最小、重量最輕的組合導(dǎo)航產(chǎn)品。該產(chǎn)品還有另一種配置，可作為一個(gè)獨(dú)立的慣性測(cè)量單元（IMU），與 NovAtel 其他具備 SPAN技術(shù)的板卡或接收機(jī)，組成分體式 MEMS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)。


上圖為IMU-IGM-A1
一般都與NovAtelProPak6聯(lián)合使用


上圖為堆疊使用

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用，一個(gè)是在GPS信號(hào)丟失或者很弱的情況下，暫時(shí)填補(bǔ)GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實(shí)的三維高精度定位。中國(guó)大城市高樓林立，即便是北斗加GPS加GLONASS，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)還是有很多無(wú)法覆蓋的地方，特別是以北京為代表的北方高緯度地區(qū)。北方衛(wèi)星導(dǎo)航仰角都不高，如果仰角不超過(guò)48度，衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)由于受地面高層建筑物的遮擋，實(shí)際只能覆蓋城市面積的30%。而日本的QZSS系統(tǒng)可以保證任何時(shí)候日本上空都有一顆仰角超過(guò)70度的衛(wèi)星，東京地區(qū)高達(dá)85度，可以覆蓋任何高層樓區(qū)。所以市區(qū)的無(wú)人駕駛，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少。

慣導(dǎo)另一個(gè)作用是配合激光雷達(dá)。GPS+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為激光雷達(dá)的空間位置和脈沖發(fā)射姿態(tài)提供高精度定位，建立激光雷達(dá)云點(diǎn)的三維坐標(biāo)系。慣導(dǎo)可用于定位，與其他傳感器融合時(shí)，也需要統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。定位是最常用的，通過(guò) IMU、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、編碼器和 GPS，得到一個(gè)預(yù)測(cè)的全局位置。當(dāng)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描單次的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，結(jié)合單次的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并進(jìn)行特征提取。這些特征包括路沿、車(chē)道線、高度等周?chē)c(diǎn)線面的特征。對(duì)于高精度地圖，提取過(guò)特征與實(shí)時(shí)提取的特征進(jìn)行匹配，最終得到精準(zhǔn)的車(chē)本體速度，這是激光雷達(dá)的定位過(guò)程。

便宜的MEMS IMU芯片也不少，比如手機(jī)里面基本都有，價(jià)格甚至不到1美元。IMU-IGM-A1使用的是ADI的ADIS 16488。



上圖為ADIS 16488的參數(shù)，于2011年12月推出。這款模塊的價(jià)格是驚人的每千片1190美元，如果是低于百片，價(jià)格可能1萬(wàn)美元，所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)才如此昂貴。這是一款戰(zhàn)術(shù)級(jí)10自由度(DoF)傳感器，在單封裝中集成一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器。新款 MEMS IMU提供最穩(wěn)定、最完整的集成傳感器套件，支持高性能導(dǎo)航和平臺(tái)穩(wěn)定控制應(yīng)用的嚴(yán)格要求。除了重要的戰(zhàn)術(shù)級(jí)(低于10度 /小時(shí))零偏穩(wěn)定度以外，在重力加速度效應(yīng)、溫度系數(shù)和帶寬等一般更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過(guò)所有其它同類(lèi)陀螺儀/IMU產(chǎn)品，改善最多可達(dá)100倍。此外，在對(duì)線性加速度和振動(dòng)加速度抑制方面，新款 i Sensor MEMS IMU甚至超過(guò)傳統(tǒng)軍用級(jí) IMU。每個(gè)器件均要經(jīng)過(guò)獨(dú)特而全面的工廠校準(zhǔn)，能夠在最?lèi)毫拥沫h(huán)境下提供無(wú)與倫比的精度；工作溫度范圍從零下55度到105度高溫，相對(duì)于典型的運(yùn)動(dòng)傳感器開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)大大降低。


上圖為ADIS 16488的內(nèi)部框架圖



上圖為幾種IMU的3分鐘累積誤差值。MPU-6000高達(dá)6889米，不過(guò)它的價(jià)格也很誘人，僅要15美元，VectorNav的VN-200高達(dá)3478米，價(jià)格只要2000美元，STIM 300誤差大幅度縮窄至417米，價(jià)格要1萬(wàn)美元。KVH的1750只有202米，價(jià)格要25000美元，IMU-IGM-A1與KVH 1750性能接近，價(jià)格也接近。



IMU-IGM-A1的性能見(jiàn)上表，10秒單點(diǎn)的水平精度為1.41米，也就是戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度，無(wú)人車(chē)要求的精度就是戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度。


上表為ADI的IMU模塊產(chǎn)品表



ADI的MEMS IMU為何這么貴？實(shí)際上相對(duì)光纖級(jí)IMU，ADI的價(jià)格是很低的。光纖級(jí)一般都在1萬(wàn)美元以上。首先，目前無(wú)人車(chē)級(jí)（戰(zhàn)術(shù)級(jí)）的MEMS IMU出貨量很低。其次，MEMS IMU的內(nèi)部還包含復(fù)雜的DSP處理（一般是Blackfin處理器嵌入硬核卡爾曼濾波器）。第三，制造工時(shí)長(zhǎng)，MEMS對(duì)振動(dòng)和溫度非常敏感，每個(gè)戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU都需要在工廠花一定時(shí)間校準(zhǔn)才能出貨。第四，封裝是MEMS的主要成本，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)MEMS最直接的區(qū)別就在封裝上，一目了然。工業(yè)級(jí)絕對(duì)不會(huì)用塑料封裝的?？葱阅艿幕?，簡(jiǎn)單的說(shuō)，工業(yè)級(jí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，經(jīng)歷極端條件后的重復(fù)性都是消費(fèi)級(jí)無(wú)法比擬的。

對(duì)比工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)級(jí)器件很多指標(biāo)都不給。汽車(chē)是要考慮10年生命周期的。最后，復(fù)雜的封裝導(dǎo)致良率很低，最終導(dǎo)致ADI的MEMS IMU價(jià)格較高。這一切都決定了戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS IMU的門(mén)檻極高，全球主要就是ADI一家。恐怕未來(lái)十年內(nèi)都是如此，因?yàn)閼?zhàn)術(shù)級(jí)MEMS IMU工藝的摸索需要最少需要十年時(shí)間。中國(guó)企業(yè)只做短平快的事業(yè)，超過(guò)五年回報(bào)期的基本沒(méi)有人會(huì)投資。

對(duì)ADI這家年收入超過(guò)50億美元的公司來(lái)說(shuō)，MEMS IMU所占其總收入比例不到4%，ADI是全球最大的高性能數(shù)字模擬仿真器轉(zhuǎn)換器公司，也是全球最大的射頻/微波通訊公司，全球第二大電源管理，放大器和界面IC公司。這是全球最優(yōu)秀的公司之一，大部分產(chǎn)品毛利率都在70%以上，大部分產(chǎn)品都占據(jù)行業(yè)第一的位置。



從2016年下半年開(kāi)始，存儲(chǔ)器，功率半導(dǎo)體，模擬IC，被動(dòng)元件價(jià)格瘋漲，指望電子產(chǎn)品量大就降價(jià)的邏輯已經(jīng)行不通了，更何況ADI感受不到競(jìng)爭(zhēng)壓力，也沒(méi)有降價(jià)的動(dòng)機(jī)，除非無(wú)人駕駛達(dá)到百萬(wàn)級(jí)出貨量，否則ADI恐怕是不會(huì)降價(jià)的。