無人駕駛的攔路虎——慣性導航系統

如果無人駕駛系統只使用16線激光雷達，那麼慣性導航系統是無人駕駛中最昂貴的部件，價格大約在18-20萬之間，至於64線激光雷達，Velodyne曾經說過量達到一定級別，價格可以不到1萬美元，而Waymo更宣稱自己的64線激光雷達成本只有Velodyne的10%。也就是不到1萬美元。

而慣性導航系統自從10年前就開始用在街景採集、無人機、測繪領域、無人駕駛，價格一直未有明顯下降。其原因很簡單，激光雷達領域競爭激烈，新興激光雷達公司近百家，而無人駕駛所需要的慣性導航系統，其最核心的MEMS IMU模塊，只有ADI和挪威的Sensonor。Sensonor的出貨量極低，主要針對高端市場，其最常見的產品為STIM 300，價格高達1萬美元，使用這個模塊的慣性導航，價格最少也在5萬美元以上。

上圖為百度無人車，其GPS定位和慣性測量單元都由NovAtel提供，價格大約20-25萬左右，IMU 為NovAtel IMU-IGM-A1 ，GPS接收機為NovAtelProPak6。 IMU-IGM-A1通過內置的微處理器，能夠以最高 200Hz 的頻率，輸出實時的高精度三維位置、速度、姿態信息，也是目前 NovAtel 產品中體積最小、重量最輕的組合導航產品。該產品還有另一種配置，可作為一個獨立的慣性測量單元（IMU），與 NovAtel 其他具備 SPAN技術的板卡或接收機，組成分體式 MEMS 組合導航系統。

上圖為IMU-IGM-A1

一般都與NovAtelProPak6聯合使用

上圖為堆疊使用

慣性導航系統主要有兩個作用，一個是在GPS信號丟失或者很弱的情況下，暫時填補GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實的三維高精度定位。中國大城市高樓林立，即便是北斗加GPS加GLONASS，衛星導航信號還是有很多無法覆蓋的地方，特別是以北京為代表的北方高緯度地區。北方衛星導航仰角都不高，如果仰角不超過48度，衛星發出的信號由於受地面高層建築物的遮擋，實際只能覆蓋城市面積的30%。而日本的QZSS系統可以保證任何時候日本上空都有一顆仰角超過70度的衛星，東京地區高達85度，可以覆蓋任何高層樓區。所以市區的無人駕駛，慣性導航系統必不可少。

慣導另一個作用是配合激光雷達。GPS+慣性導航系統為激光雷達的空間位置和脈衝發射姿態提供高精度定位，建立激光雷達雲點的三維坐標系。慣導可用於定位，與其他感測器融合時，也需要統一到一個坐標系下。定位是最常用的，通過 IMU、慣性導航系統、編碼器和 GPS，得到一個預測的全局位置。當激光雷達實時掃描單次的點雲數據後，結合單次的點雲數據進行匹配，並進行特徵提取。這些特徵包括路沿、車道線、高度等周圍點線面的特徵。對於高精度地圖，提取過特徵與實時提取的特徵進行匹配，最終得到精準的車本體速度，這是激光雷達的定位過程。

便宜的MEMS IMU晶元也不少，比如手機裡面基本都有，價格甚至不到1美元。IMU-IGM-A1使用的是ADI的ADIS 16488。

上圖為ADIS 16488的參數，於2011年12月推出。這款模塊的價格是驚人的每千片1190美元，如果是低於百片，價格可能1萬美元，所以慣性導航系統才如此昂貴。這是一款戰術級10自由度(DoF)感測器，在單封裝中集成一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力感測器。新款 MEMS IMU提供最穩定、最完整的集成感測器套件，支持高性能導航和平台穩定控制應用的嚴格要求。除了重要的戰術級(低於10度 /小時)零偏穩定度以外，在重力加速度效應、溫度係數和帶寬等一般更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過所有其它同類陀螺儀/IMU產品，改善最多可達100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，新款 i Sensor MEMS IMU甚至超過傳統軍用級 IMU。每個器件均要經過獨特而全面的工廠校準，能夠在最惡劣的環境下提供無與倫比的精度；工作溫度範圍從零下55度到105度高溫，相對於典型的運動感測器開發，設計的複雜度、時間、成本和風險大大降低。

上圖為ADIS 16488的內部框架圖

上圖為幾種IMU的3分鐘累積誤差值。MPU-6000高達6889米，不過它的價格也很誘人，僅要15美元，VectorNav的VN-200高達3478米，價格只要2000美元，STIM 300誤差大幅度縮窄至417米，價格要1萬美元。KVH的1750隻有202米，價格要25000美元，IMU-IGM-A1與KVH 1750性能接近，價格也接近。

IMU-IGM-A1的性能見上表，10秒單點的水平精度為1.41米，也就是戰術級精度，無人車要求的精度就是戰術級精度。

上表為ADI的IMU模塊產品表

ADI的MEMS IMU為何這麼貴？實際上相對光纖級IMU，ADI的價格是很低的。光纖級一般都在1萬美元以上。首先，目前無人車級（戰術級）的MEMS IMU出貨量很低。其次，MEMS IMU的內部還包含複雜的DSP處理（一般是Blackfin處理器嵌入硬核卡爾曼濾波器）。第三，製造工時長，MEMS對振動和溫度非常敏感，每個戰術級IMU都需要在工廠花一定時間校準才能出貨。第四，封裝是MEMS的主要成本，對用戶來說，消費級和工業級MEMS最直接的區別就在封裝上，一目了然。工業級絕對不會用塑料封裝的。看性能的化，簡單的說，工業級的長期穩定性，經歷極端條件後的重複性都是消費級無法比擬的。

對比工業級和消費級的數據手冊，你也會發現，消費級器件很多指標都不給。汽車是要考慮10年生命周期的。最後，複雜的封裝導致良率很低，最終導致ADI的MEMS IMU價格較高。這一切都決定了戰術級MEMS IMU的門檻極高，全球主要就是ADI一家。恐怕未來十年內都是如此，因為戰術級MEMS IMU工藝的摸索需要最少需要十年時間。中國企業只做短平快的事業，超過五年回報期的基本沒有人會投資。

對ADI這家年收入超過50億美元的公司來說，MEMS IMU所佔其總收入比例不到4%，ADI是全球最大的高性能數字模擬模擬器轉換器公司，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。這是全球最優秀的公司之一，大部分產品毛利率都在70%以上，大部分產品都佔據行業第一的位置。

從2016年下半年開始，存儲器，功率半導體，模擬IC，被動元件價格瘋漲，指望電子產品量大就降價的邏輯已經行不通了，更何況ADI感受不到競爭壓力，也沒有降價的動機，除非無人駕駛達到百萬級出貨量，否則ADI恐怕是不會降價的。