在自动驾驶领域，除了大家所熟知的互联网企业谷歌、百度等正在研究自动驾驶，传统的车企也在该领域快速布局。7月6日，戴姆勒集团宣布成为首家获得北京市自动驾驶车辆道路测试牌照的国际汽车制造商。此前，上汽、长安、北汽、广汽、蔚来等车企，以及百度、腾讯等互联网企业，相继拿到了上海、北京、重庆等地的自动驾驶车辆道路测试牌照。然而，在基于无人系统自主性和智能化水平为核心技术的无人驾驶中，安全问题始终是个绕不开的话题，而汽车行进的安全保障又与自主导航技术的成熟度戚戚相关。从目前的研究现状来看，能够实现获取无人系统自身的位置、速度及姿态信息同时又不依靠任何外界信息的惯性导航是能够实现汽车自主导航最完美的技术手段。
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惯性导航介绍
惯性导航的工作机理主要建立在牛顿经典力学体系上，通过测定的加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位置的变化。
惯性导航系统（INS）是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。一个惯性导航系统通过陀螺仪和三个相互垂直的加速度计组合成惯导测量单元（IMU）来测量载体相对于惯性坐标系的加速度、角速度，通过积分算法获取载体的导航信息。
图1:惯导测量单元（IMU）构件图
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几种导航的技术对比分析
目前常见的导航技术包括无线电导航、卫星导航、惯性导航、视觉导航以及磁导航等。
无线电导航：精度受随机误差限制，随机误差易受大气层噪声，电干扰以及人为干扰。
卫星导航：动态性较差，同时易受到诸如隧道、高层建筑的阻隔影响。
视觉导航：需要处理巨大图像量，性能一般的处理器实时性较差。同时容易受外部光线影响较大。
磁导航：涉及施工，不适应复杂场合。维护磁条、电缆成本较高。
相比之下，惯性导航主要依靠机载设备来完成导航任务，无需借助任何外部信息条件，即可相对独立的给出载体的姿态、速度等导航信息。
惯性导航的主要优势体现在：
隐蔽性好，不会受到外界电磁波的干扰；
通过积分形成的导航数据连续性较好，精度较高且噪声较低；
可适应全天候的工作场景。
INS（惯导系统）的导航信息需要通过积分来确定，因此惯导器件的误差会随着时间积累，长时使用无法满足精度要求，GNSS（卫星导航）信号虽然输出频率低但可以长时间提供高精度定位信息，误差不会随时间累积。因此GNSS 与INS二者具有良好的互补特性，通过GNSS 辅助INS 进行误差修正可以获取高频率、高精度的位置、速度以及姿态信息，GNSS /INS 组合导航系统是当今主流的组合导航模式。
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在自动驾驶中的应用场景
目前，美国汽车工程师业协会对自动驾驶汽车进行了5个等级的划分。
图二：自动驾驶汽车的分级标准
不同级别需要融合的不同惯导产品
产品类别
成本
应用场景
L3 有条件自动化
惯导+轮速
千元级
智能巡航、拥堵巡航、遥控泊车
L3 有条件自动化L4高度自动化
惯导+GNSS（4G、5G、RTK、视觉/雷达）+轮速
万元级
城市巡航、高级拥堵巡航、代客泊车、固定线路泊车
L4高度自动化
L5完全自动化
惯导+GNSS（4G、5G、RTK、视觉/雷达）+轮速+冗余
十万级
高度甚至完全无人驾驶
在L4及以上自动驾驶的过程中，必须确保多种传感器的协同并确保有冗余探测信息。在高度自动驾驶系统中，对道路的信息感知将不仅局限于高精度定位，包括行驶路况的路面曲率、坡度，车况的航向、轴向等信息均要提供给决策控制系统，从而可通过整车的行驶状态提供智能的动力输出，确保车辆平稳运行。要实现这一精度的信息掌握，需要厘米级（10-30cm）的定位精度，惯导不仅可以满足相关定位精度要求，而且可通过IMU元件实时准确测量车辆坐标系内三个方向的加速度、角速度等信息，并反馈给决策系统实现车辆的精准控制。因此L4及以上自动驾驶离不开惯导系统。
惯性导航系统运用在自动驾驶系统的独特优势：
惯导系统的连续性的高频传输和不受外界干扰的特性，成为连接多传感数据的最好中枢；
惯导系统通过加速度计和陀螺仪采集的加速度、角速度等信息可以直接和自动驾驶系统的雷达、视觉、轮速计等信息相融合。
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市场情况分析
惯导系统涉及的学科众多，包括：无线电通讯、微电子、力学、测绘、电子工程、车辆工程、融合算法、计算机单片、软件等多种技术。车规级的惯导系统技术研发和应用目前都还在起步中，因此该行业技术壁垒较高。
在整个惯导产品的产业链上，上游制造难度最大，价值占比最高，但毛利率水平低于中游。产业链上游惯性器件研发和制造难度最大，价值量也相对较高，但其毛利率低于中游模块组装和软件设计。
预估2025年，全球汽车惯导市场将达到146亿的规模；2030年达到625亿的规模。
目前国内外惯导产品企业清单
国内
国外
广州导远
诺瓦泰
羲朗科技
天宝
北斗星通
GenSys
星网宇达
OXTS
合众思壮
XSENS
耐威科技
军工惯导
戴世智能
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应用现状
MEMS惯导系统将成为未来自动驾驶导航系统主流
惯导系统产品一般运用于军事级的卫星、导航级的大型船舶、飞机导航以及战术级等。惯导系统核心是IMU模块，一般精度越高价格越贵。因此IMU的高成本也是目前自动驾驶系统需要攻克的难关。
目前基于微机电惯性传感器（MEMS）的运用，惯导系统也逐渐向低成本、小型化、数字化等更广泛的领域过渡。所谓的 MEMS惯性传感器包括MEMS陀螺仪以及MEMS加速度计，虽然相比光纤陀螺、激光陀螺应用于航天工业在精度上仍有很大差距，但它具有重量轻、体积小、低成本的优势。中国一线城市高楼林立，定位精度要求较高。所以至少需要配备战术级的惯导系统，未来随着MEMS材料工艺与制造工艺不断发展，MEMS惯导系统精度完全提高到战术级的同时，成本也将会进一步下降。其将会成为未来惯性导航的主要发展方向。
图3：车规级IMU以MEMS为核心传感单元
惯导系统将融合其他传感器的核心单元成为超级传感
随着5G技术发展和深化应用，以自动驾驶、无人机、智能机器人为代表的自动控制领域产品将会进一步提高核心技术。自动驾驶汽车一般有数量众多的传感器，惯导系统有作为自动驾驶导航系统的信息融合中心的潜质，以紧耦合方式兼收各类传感器数据，通过先进的信息融合策略和容错算法，在多源信息整合中自动剔除超出传感器误差的野值或异常数据，提高整个导航系统的可靠性。
图4：未来IMU融合其他传感单元
