人形機器人產業(yè)鏈分析——IMU

作為自主導航的人形機器人，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）以及加速度的設備，在機器人導航中有著很重要的應用。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，結合慣性導航系統內的運動軌跡設定，對航向和速度進行修正以實現導航功能。對于平動的測量通常采用加速度計的方式，而轉動的測量是通過陀螺儀來實現。

圖|優(yōu)必選人形機器人

來源：優(yōu)必選官網

而四足機器狗也通過從 IMU、激光雷達等傳感器獲取信息，結合相關算法，實現即時定位與地圖構建。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

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)定行走的關鍵傳感器。由IMU主導的慣性系統，可以在人形機器人中實現慣性導航、慣性測量和慣性穩(wěn)控等多重功能。其中以慣性導航的應用最為廣泛。

一、IMU介紹

1.1、IMU工作原理

圖|慣性導航系統工作原理圖

來源：星網宇達、基業(yè)常青

1.2、分類

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

慣性技術發(fā)展之初主要用于國防軍工領域，高精度、高靈敏度是面向軍工慣性技術產品的主要特征。因此國外對高精度慣性技術和器件嚴密封鎖、對任何國家都是禁運的。隨著技術進步，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，慣性技術在民用領域也開始得到應用，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)模生產的實現，使得在較低精度即可滿足應用需求的民用領域，慣性技術產品開始得到廣泛使用，目前應用領域與規(guī)模正呈現快速增長的態(tài)勢。

MEMS是指利用半導體生產工藝構造的集微傳感器、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；MEMS將電子系統與周圍環(huán)境有機結合在一起，微傳感器接收運動、光、熱、聲、磁等信號，信號再被轉換成電子系統能夠識別、處理的電信號，部分MEMS器件可通過微執(zhí)行器實現對外部介質的操作功能。

1.3、MEMS 慣性傳感器構成

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，并通過慣性技術實現物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統的基礎核心器件，其性能高低直接決定慣性系統的整體表現。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，是慣性系統的重要組成部分，主要用于導 航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等應用領域。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）芯片及應力隔離封裝。

圖|MEMS陀螺儀結構

來源：芯動聯科招股書

?其工作原理為：采用半導體加工技術在硅晶圓上制造出的 MEMS 芯片，在 ASIC 芯片的驅動控制下感應外部待測信號并將其轉化為電容、電阻、電荷等信號變化， ASIC 芯片再將上述信號變化轉化成電學信號，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是牛頓 第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質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。加速度計已經廣泛應用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等領域。

MEMS 加速度計的核心是一顆 MEMS 芯片、一顆 ASIC 芯片及應力隔離封裝。其產品構造與前述陀螺儀基本相同。MEMS 加速度計利用敏感結構將線加速度的變化轉換為電容的變化量，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。產品主要包含加速度計敏感結構和 ASIC 芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路和數字部分組成。

圖|電容式加速度計內部結構

來源：zdinnova、民生證券研究院

1.4、IMU主要應用

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（GNSS），來精確定位車輛所處絕對位置。慣性導航是不可替代的關鍵定位技術，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，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慣性導航技術，可以為無人機提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，從而實現其精確的導航定位和姿態(tài)控制。目前無人機在軍事領域的應用最為成熟，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、應急救災、警務執(zhí)法等民用領域呈現出迅猛的發(fā)展態(tài)勢。

我國民用無人機市場將繼續(xù)保持高速增長。根據前瞻產業(yè)研究院數據，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，各應用領域也將逐漸形成規(guī)?；氖袌?，發(fā)展前景良好；其中，航拍及娛樂仍是最大的應用領域，市場規(guī)模有望達300億元。未來無人機領域的慣性導航產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內容得以實時適配頭部和身體的敏捷移動和旋轉，讓用戶察覺不到延遲和卡頓，進而減少暈車感。

根據國際數據分析公司IDC的數據，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年預計國內VR產業(yè)在消費端迎來變量和拐點，AR產業(yè)也將看到新的突破。

1.5、MEMS IMU市場空間

根據 Yole 數據，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%。

根據芯謀研究數據，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 技術的成 熟和系統綜合成本的下降，整個 MEMS 慣性傳感器市場正在經歷巨大的變革，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 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、國內主要IMU相關公司

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能力，實現車規(guī)級慣導技術的產品化。高精度慣導產品不依賴外部信號，具有高可靠性，并能夠與車輛其他傳感器數據融合，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，在汽車智能駕駛應用領域尚處于起步階段，具有廣闊的成長空間。

2022 年公司高精度慣導業(yè)務進展加速，研發(fā)投入持續(xù)加大，依托強大的軟件開發(fā)團隊、跨學科專家的鼎力加盟和智能軟件算法的快速迭代，公司 IMU 產品進度保持行業(yè)領先，實現應用層產品的率先落地。產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體系，同時與國內多家廠商建立了深度合作關系。已獲得部分客戶的產品定點，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|華依科技產品

來源：華依科技官網、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在內的相關器件的發(fā)展。自動駕駛車輛需要對道路狀況進行實時預測，為此，智能汽車必須具備遠超人類的檢測感知能力。慣性導航系統（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，實現導航和定位的目的。受益于自動駕駛技術的快速發(fā)展，慣性測量單元（IMU）的市場規(guī)模有望高速增長。

2.2、芯動聯科

安徽芯動聯科微系統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基礎上持續(xù)發(fā)展高性能 MEMS 慣性傳感器的相關核心技術，形成了MEMS慣性傳感器核心技術體系，涵蓋MEMS慣性傳感器芯片設計、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慣性傳感器產品已經達到其同類產品的性能等級，在MEMS慣性傳感器領域處于國際先進水平。 在國內，公司較早從事高性能MEMS慣性傳感器研發(fā)，是目前少數可以實現高性能MEMS慣性傳感器穩(wěn)定量產的企業(yè)，在MEMS 慣性傳感器的市場具有較強的競爭壁壘，或將持續(xù)保證其盈利能力。

公司MEMS陀螺儀采用靜電驅動、電容檢測的開環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式。 公司 MEMS 芯片采用多質量塊差分解耦結構，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)定性和測量精準性；公司 ASIC 芯片可以實現微小電容檢測，使陀螺儀具有較高的靈敏度。

圖|陀螺儀產品及性能

來源：芯動聯科官網、與非研究院整理

公司 MEMS 加速度計通過分散式多單元結構的設計，使 MEMS 敏感結構具有高靈敏度、低漂移、低溫度系數、良好的重復性等特性。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 μg 級加速度測量 精度。

圖|加速度計產品及性能

來源：芯動聯科官網、與非研究院整理

2.3、矽?？萍?/strong>