人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——IMU

作為自主導(dǎo)航的人形機器人，必須實時知曉自己的位置。而IMU是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的設(shè)備，在機器人導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用。優(yōu)必選人形機器人和小米四足機器狗均有搭載高精度慣導(dǎo)傳感器。

慣性測量單元（Inertial measurement unit，簡稱IMU）是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。IMU的核心裝置是陀螺儀和加速度計。通常情況下，每套慣性測量裝置包含三組陀螺儀和加速度計，分別測量三個自由度的角加速度和線加速度，通過對加速度的積分和初始速度、位置的疊加運算，得到物體在空間位置中的運動方向和速度，結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的運動軌跡設(shè)定，對航向和速度進行修正以實現(xiàn)導(dǎo)航功能。對于平動的測量通常采用加速度計的方式，而轉(zhuǎn)動的測量是通過陀螺儀來實現(xiàn)。

圖|優(yōu)必選人形機器人

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

而四足機器狗也通過從 IMU、激光雷達等傳感器獲取信息，結(jié)合相關(guān)算法，實現(xiàn)即時定位與地圖構(gòu)建。小米cyberdog也配備有慣性測量單元，與其他傳感器配合使用。

圖|小米四足機器狗

來源：小米官網(wǎng)

IMU可測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，是機器人平衡和穩(wěn)定行走的關(guān)鍵傳感器。由IMU主導(dǎo)的慣性系統(tǒng)，可以在人形機器人中實現(xiàn)慣性導(dǎo)航、慣性測量和慣性穩(wěn)控等多重功能。其中以慣性導(dǎo)航的應(yīng)用最為廣泛。

一、IMU介紹

1.1、IMU工作原理

圖|慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖

來源：星網(wǎng)宇達、基業(yè)常青

1.2、分類

根據(jù)應(yīng)用場景和精度要求不同，可以將慣性導(dǎo)航所需陀螺儀器件分為戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級和商業(yè)級（消費級）：1、戰(zhàn)略級應(yīng)用場景集中于航天和航海領(lǐng)域；2、導(dǎo)航級應(yīng)用場景多為各類導(dǎo)彈武器；3、戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用場景包括地面兵裝武器和飛行器；4、商業(yè)級應(yīng)用場景為民用。

慣性技術(shù)發(fā)展之初主要用于國防軍工領(lǐng)域，高精度、高靈敏度是面向軍工慣性技術(shù)產(chǎn)品的主要特征。因此國外對高精度慣性技術(shù)和器件嚴密封鎖、對任何國家都是禁運的。隨著技術(shù)進步，中低精度的慣性器件發(fā)展迅猛，其成本逐步降低，體積逐步減小，慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用，并為越來越多的行業(yè)所了解。尤其微機電慣性器件（MEMS IMU）大規(guī)模生產(chǎn)的實現(xiàn)，使得在較低精度即可滿足應(yīng)用需求的民用領(lǐng)域，慣性技術(shù)產(chǎn)品開始得到廣泛使用，目前應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)模正呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。

MEMS是指利用半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝構(gòu)造的集微傳感器、信號處理和控制電路、微執(zhí)行器、通訊接口和電源等部件于一體的微米至毫米尺寸的微型器件或系統(tǒng)；MEMS將電子系統(tǒng)與周圍環(huán)境有機結(jié)合在一起，微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等信號，信號再被轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)能夠識別、處理的電信號，部分MEMS器件可通過微執(zhí)行器實現(xiàn)對外部介質(zhì)的操作功能。

1.3、MEMS 慣性傳感器構(gòu)成

高性能 MEMS 慣性傳感器，包括 MEMS 陀螺儀和 MEMS 加速度計，均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實現(xiàn)物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基 MEMS 慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。

1.3.1、MEMS 陀螺儀

陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導(dǎo) 航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS 陀螺儀的核心是 一顆微機械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應(yīng)力隔離封裝。

圖|MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)

來源：芯動聯(lián)科招股書

?其工作原理為：采用半導(dǎo)體加工技術(shù)在硅晶圓上制造出的 MEMS 芯片，在 ASIC 芯片的驅(qū)動控制下感應(yīng)外部待測信號并將其轉(zhuǎn)化為電容、電阻、電荷等信號變化， ASIC 芯片再將上述信號變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號，最終通過封裝將芯片保護起來并將信號輸出，從而實現(xiàn)外部信息獲取與交互的功能。

1.3.2、MEMS 加速度計

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件。加速度計的理論基礎(chǔ)是牛頓 第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量計算出加速 度值。如果初速度已知，就可以通過對時間積分得到線速度，再次積分即可計算出直線位移。加速度計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等領(lǐng)域。

MEMS 加速度計的核心是一顆 MEMS 芯片、一顆 ASIC 芯片及應(yīng)力隔離封裝。其產(chǎn)品構(gòu)造與前述陀螺儀基本相同。MEMS 加速度計利用敏感結(jié)構(gòu)將線加速度的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運動的加速度值。產(chǎn)品主要包含加速度計敏感結(jié)構(gòu)和 ASIC 芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。

圖|電容式加速度計內(nèi)部結(jié)構(gòu)

來源：zdinnova、民生證券研究院

1.4、IMU主要應(yīng)用

1.4.1、自動駕駛核心中的核心

自動駕駛的核心包括定位、感知、決策、執(zhí)行四個部分，其中定位是決策和執(zhí)行的前提。定位系統(tǒng)主要作用是確定車輛所處的絕對位置；感知層的主要作用是收集和解析出周圍環(huán)境的信息；決策層基于對當(dāng)前位置和周圍環(huán)境的理解，做出實時的安全有效的執(zhí)行計劃；執(zhí)行層則是按照決策層的計劃進行。

定位系統(tǒng)主要是以高精地圖為依托，通過慣性傳感器（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GNSS），來精確定位車輛所處絕對位置。慣性導(dǎo)航是不可替代的關(guān)鍵定位技術(shù)，將成為自動駕駛定位信息融合的中心。IMU具有輸出信息不間斷、不受外界干擾等獨特優(yōu)勢，可保證在任何時刻以高頻次輸出車輛運動參數(shù)，為決策中心提供連續(xù)的車輛位置、姿態(tài)信息，這是任何傳感器都無法比擬的。

1.4.2、無人機

通過利用慣性器件及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以為無人機提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實現(xiàn)其精確的導(dǎo)航定位和姿態(tài)控制。目前無人機在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用最為成熟，同時隨著人們對無人機認知程度的加深，其在遙感測繪、邊海防、森林防火、管道巡線、應(yīng)急救災(zāi)、警務(wù)執(zhí)法等民用領(lǐng)域呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢。

我國民用無人機市場將繼續(xù)保持高速增長。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2019年中國民用無人機銷售規(guī)模為134.8億元，同比增長53.2%，近三年增速始終維持在50%以上，預(yù)計到2025年，我國民用無人機市場規(guī)模將達到560億元，平均增速將在30%左右，各應(yīng)用領(lǐng)域也將逐漸形成規(guī)?；氖袌?，發(fā)展前景良好；其中，航拍及娛樂仍是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，市場規(guī)模有望達300億元。未來無人機領(lǐng)域的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品將充分受益于無人機市場的高速增長，成為民用市場重要增長點之一。

1.4.3、VR/AR

VR/AR帶給用戶的沉浸感和真實感，也源于IMU的精度提高。在IMU刷新率和顯示刷新率同步提高的今天，VR內(nèi)容得以實時適配頭部和身體的敏捷移動和旋轉(zhuǎn)，讓用戶察覺不到延遲和卡頓，進而減少暈車感。

根據(jù)國際數(shù)據(jù)分析公司IDC的數(shù)據(jù)，2020年全球VR頭顯出貨量達670萬臺，較2019年增長72%，AR眼鏡出貨量40萬臺，增長33%。2021年預(yù)計國內(nèi)VR產(chǎn)業(yè)在消費端迎來變量和拐點，AR產(chǎn)業(yè)也將看到新的突破。

1.5、MEMS IMU市場空間

根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，全球 MEMS 慣性傳感器的市場規(guī)模從 2018 年的 28.31 億美元增長 至 2021 年的 35.09 億美元，預(yù)計 2027 年將增長至 49.43 億美元，2018 年至 2027 年 CAGR 為 6.4%；其中全球 MEMS IMU 市場從 2018 年 13.79 億美元有望增長至 2027 年 27.92 億美元，CAGR 為 8.2%。

根據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，2022 年中國 MEMS 慣性傳感器市場規(guī)模為 77.4 億元，至 2027 年有望達到 125.7 億元。2022 年中國慣性傳感器市場中， MEMS IMU 是市場份額最大的品類，占比約為 56%，MEMS 加速度計的市場規(guī)模占比約為 34%，MEMS 陀螺儀的市場規(guī)模占比約為 10%。隨著 MEMS IMU 技術(shù)的成 熟和系統(tǒng)綜合成本的下降，整個 MEMS 慣性傳感器市場正在經(jīng)歷巨大的變革，獨立的 MEMS 加速度計和陀螺儀越來越多地被 MEMS IMU 所取代。2022 年國內(nèi) MEMS IMU 市場規(guī)模達到 43.1 億元，至 2027 年有望達 75.5 億 元，CAGR11.9%。

二、國內(nèi)主要IMU相關(guān)公司

2.1、華依科技

公司緊跟智能駕駛的發(fā)展趨勢，加大對高精度慣導(dǎo)研發(fā)力度，具備了滿足不同客戶需求，提 供多種解決方案的技術(shù)能力，實現(xiàn)車規(guī)級慣導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)品化。高精度慣導(dǎo)產(chǎn)品不依賴外部信號，具有高可靠性，并能夠與車輛其他傳感器數(shù)據(jù)融合，進一步提升車輛定位精度，逐漸成為 L3 及以上智能駕駛車輛的重要定位系統(tǒng)，在汽車智能駕駛應(yīng)用領(lǐng)域尚處于起步階段，具有廣闊的成長空間。

2022 年公司高精度慣導(dǎo)業(yè)務(wù)進展加速，研發(fā)投入持續(xù)加大，依托強大的軟件開發(fā)團隊、跨學(xué)科專家的鼎力加盟和智能軟件算法的快速迭代，公司 IMU 產(chǎn)品進度保持行業(yè)領(lǐng)先，實現(xiàn)應(yīng)用層產(chǎn)品的率先落地。產(chǎn)品與多家主機廠已完成車型匹配工作，并初步建立了完整的生產(chǎn)體系，同時與國內(nèi)多家廠商建立了深度合作關(guān)系。已獲得部分客戶的產(chǎn)品定點，其中奇瑞汽車定點、智己汽車定點已公告，后續(xù)有望獲得更多的客戶訂單。

圖|華依科技產(chǎn)品

來源：華依科技官網(wǎng)、與非研究院整理

智能汽車的發(fā)展將拉動包括高精度慣導(dǎo)在內(nèi)的相關(guān)器件的發(fā)展。自動駕駛車輛需要對道路狀況進行實時預(yù)測，為此，智能汽車必須具備遠超人類的檢測感知能力。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS） 是 L3 及以上等級自動駕駛車輛不可或缺的模塊，能夠在 GPS、GNSS、5G 等外部信號不佳時通過自身運動信息實現(xiàn)定位。慣性測量單元（IMU）則是 INS 中的核心部件，其原理是測量運載體本身的加速度以確定其的位置信息，實現(xiàn)導(dǎo)航和定位的目的。受益于自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，慣性測量單元（IMU）的市場規(guī)模有望高速增長。

2.2、芯動聯(lián)科

安徽芯動聯(lián)科微系統(tǒng)股份有限公司成立于2012年，公司注冊地位于安徽省蚌埠市。公司自成立以來在初始專用技術(shù)基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展高性能 MEMS 慣性傳感器的相關(guān)核心技術(shù)，形成了MEMS慣性傳感器核心技術(shù)體系，涵蓋MEMS慣性傳感器芯片設(shè)計、MEMS 工藝方案開發(fā)、封裝與測試等主要環(huán)節(jié)。公司目前采用 Fabless 模式。

公司高性能MEMS慣性傳感器產(chǎn)品已經(jīng)達到其同類產(chǎn)品的性能等級，在MEMS慣性傳感器領(lǐng)域處于國際先進水平。 在國內(nèi)，公司較早從事高性能MEMS慣性傳感器研發(fā)，是目前少數(shù)可以實現(xiàn)高性能MEMS慣性傳感器穩(wěn)定量產(chǎn)的企業(yè)，在MEMS 慣性傳感器的市場具有較強的競爭壁壘，或?qū)⒊掷m(xù)保證其盈利能力。

公司MEMS陀螺儀采用靜電驅(qū)動、電容檢測的開環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式。 公司 MEMS 芯片采用多質(zhì)量塊差分解耦結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的正交誤差抑制能力、抗振動特性以及溫度特性，有利于保持陀螺儀運行中的穩(wěn)定性和測量精準(zhǔn)性；公司 ASIC 芯片可以實現(xiàn)微小電容檢測，使陀螺儀具有較高的靈敏度。

圖|陀螺儀產(chǎn)品及性能

來源：芯動聯(lián)科官網(wǎng)、與非研究院整理

公司 MEMS 加速度計通過分散式多單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使 MEMS 敏感結(jié)構(gòu)具有高靈敏度、低漂移、低溫度系數(shù)、良好的重復(fù)性等特性。公司 MEMS 加速度計基于 SOI 體硅工藝制造，配以高性能 ASIC 電路，可以實現(xiàn) μg 級加速度測量 精度。

圖|加速度計產(chǎn)品及性能

來源：芯動聯(lián)科官網(wǎng)、與非研究院整理

2.3、矽?？萍?/strong>