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人形机器人产业链分析——IMU

02/07 15:18
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作为自主导航的人形机器人,必须实时知晓自己的位置。而IMU是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的设备,在机器人导航中有着很重要的应用。优必选人形机器人和小米四足机器狗均有搭载高精度惯导传感器

惯性测量单元(Inertial measurement unit,简称IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。IMU的核心装置是陀螺仪加速度计。通常情况下,每套惯性测量装置包含三组陀螺仪和加速度计,分别测量三个自由度的角加速度和线加速度,通过对加速度的积分和初始速度、位置的叠加运算,得到物体在空间位置中的运动方向和速度,结合惯性导航系统内的运动轨迹设定,对航向和速度进行修正以实现导航功能。对于平动的测量通常采用加速度计的方式,而转动的测量是通过陀螺仪来实现。

图|优必选人形机器人

来源:优必选官网

而四足机器狗也通过从 IMU、激光雷达等传感器获取信息,结合相关算法,实现即时定位与地图构建。小米cyberdog也配备有惯性测量单元,与其他传感器配合使用。

图|小米四足机器狗

来源:小米官网

IMU可测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态,是机器人平衡和稳定行走的关键传感器。由IMU主导的惯性系统,可以在人形机器人中实现惯性导航、惯性测量和惯性稳控等多重功能。其中以惯性导航的应用最为广泛。

一、IMU介绍

1.1、IMU工作原理

图|惯性导航系统工作原理图

来源:星网宇达、基业常青

1.2、分类

根据应用场景和精度要求不同,可以将惯性导航所需陀螺仪器件分为战略级、导航级、战术级和商业级(消费级):1、战略级应用场景集中于航天和航海领域;2、导航级应用场景多为各类导弹武器;3、战术级应用场景包括地面兵装武器和飞行器;4、商业级应用场景为民用。

惯性技术发展之初主要用于国防军工领域,高精度、高灵敏度是面向军工惯性技术产品的主要特征。因此国外对高精度惯性技术和器件严密封锁、对任何国家都是禁运的。随着技术进步,中低精度的惯性器件发展迅猛,其成本逐步降低,体积逐步减小,惯性技术在民用领域也开始得到应用,并为越来越多的行业所了解。尤其微机电惯性器件(MEMS IMU)大规模生产的实现,使得在较低精度即可满足应用需求的民用领域,惯性技术产品开始得到广泛使用,目前应用领域与规模正呈现快速增长的态势。

MEMS是指利用半导体生产工艺构造的集微传感器、信号处理和控制电路、微执行器、通讯接口和电源等部件于一体的微米至毫米尺寸的微型器件或系统;MEMS将电子系统与周围环境有机结合在一起,微传感器接收运动、光、热、声、磁等信号,信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号,部分MEMS器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。

1.3MEMS 惯性传感器构成

高性能 MEMS 惯性传感器,包括 MEMS 陀螺仪和 MEMS 加速度计,均包含一颗微机械(MEMS)芯片和一颗专用控制电路(ASIC)芯片,并通过惯性技术实现物体运动姿态和运动轨迹的感知。陀螺仪和加速度计是惯性系统的基础核心器件,其性能高低直接决定惯性系统的整体表现。硅基 MEMS 惯性传感器因小型化、高集成、低成本的优势,成为现代惯性传感器的重要发展方向。

1.3.1MEMS 陀螺仪

陀螺仪是测量角速率的一种器件,是惯性系统的重要组成部分,主要用于导 航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等应用领域。MEMS 陀螺仪的核心是 一颗微机械(MEMS)芯片,一颗专用控制电路(ASIC)芯片及应力隔离封装

图|MEMS陀螺仪结构

来源:芯动联科招股书

 其工作原理为:采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出的 MEMS 芯片,在 ASIC 芯片的驱动控制下感应外部待测信号并将其转化为电容电阻、电荷等信号变化, ASIC 芯片再将上述信号变化转化成电学信号,最终通过封装将芯片保护起来并将信号输出,从而实现外部信息获取与交互的功能。

1.3.2MEMS 加速度计

加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件。加速度计的理论基础是牛顿 第二定律,传感器在加速过程中,可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速 度值。如果初速度已知,就可以通过对时间积分得到线速度,再次积分即可计算出直线位移。加速度计已经广泛应用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等领域。

MEMS 加速度计的核心是一颗 MEMS 芯片、一颗 ASIC 芯片及应力隔离封装。其产品构造与前述陀螺仪基本相同。MEMS 加速度计利用敏感结构将线加速度的变化转换为电容的变化量,最终通过专用集成电路读出电容值的变化,得到物体运动的加速度值。产品主要包含加速度计敏感结构和 ASIC 芯片,ASIC 芯片由电容/电压变换电路和数字部分组成。

图|电容式加速度计内部结构

来源:zdinnova、民生证券研究院

1.4IMU主要应用

1.4.1自动驾驶核心中的核心

自动驾驶的核心包括定位、感知、决策、执行四个部分,其中定位是决策和执行的前提。定位系统主要作用是确定车辆所处的绝对位置;感知层的主要作用是收集和解析出周围环境的信息;决策层基于对当前位置和周围环境的理解,做出实时的安全有效的执行计划;执行层则是按照决策层的计划进行。

定位系统主要是以高精地图为依托,通过惯性传感器(IMU)和全球定位系统(GNSS),来精确定位车辆所处绝对位置。惯性导航是不可替代的关键定位技术,将成为自动驾驶定位信息融合的中心。IMU具有输出信息不间断、不受外界干扰等独特优势,可保证在任何时刻以高频次输出车辆运动参数,为决策中心提供连续的车辆位置、姿态信息,这是任何传感器都无法比拟的。

1.4.2无人机

通过利用惯性器件及捷联惯性导航技术,可以为无人机提供精确的速度、位置和姿态等信息,从而实现其精确的导航定位和姿态控制。目前无人机在军事领域的应用最为成熟,同时随着人们对无人机认知程度的加深,其在遥感测绘、边海防、森林防火、管道巡线、应急救灾、警务执法等民用领域呈现出迅猛的发展态势。

我国民用无人机市场将继续保持高速增长。根据前瞻产业研究院数据,2019年中国民用无人机销售规模为134.8亿元,同比增长53.2%,近三年增速始终维持在50%以上,预计到2025年,我国民用无人机市场规模将达到560亿元,平均增速将在30%左右,各应用领域也将逐渐形成规模化的市场,发展前景良好;其中,航拍及娱乐仍是最大的应用领域,市场规模有望达300亿元。未来无人机领域的惯性导航产品将充分受益于无人机市场的高速增长,成为民用市场重要增长点之一。

1.4.3VR/AR

VR/AR带给用户的沉浸感和真实感,也源于IMU的精度提高。在IMU刷新率和显示刷新率同步提高的今天,VR内容得以实时适配头部和身体的敏捷移动和旋转,让用户察觉不到延迟和卡顿,进而减少晕车感。

根据国际数据分析公司IDC的数据,2020年全球VR头显出货量达670万台,较2019年增长72%,AR眼镜出货量40万台,增长33%。2021年预计国内VR产业在消费端迎来变量和拐点,AR产业也将看到新的突破。

1.5MEMS IMU市场空间

根据 Yole 数据,全球 MEMS 惯性传感器的市场规模从 2018 年的 28.31 亿美元增长 至 2021 年的 35.09 亿美元,预计 2027 年将增长至 49.43 亿美元,2018 年至 2027 年 CAGR 为 6.4%;其中全球 MEMS IMU 市场从 2018 年 13.79 亿美元有望增长至 2027 年 27.92 亿美元,CAGR 为 8.2%。

根据芯谋研究数据,2022 年中国 MEMS 惯性传感器市场规模为 77.4 亿元,至 2027 年有望达到 125.7 亿元。2022 年中国惯性传感器市场中, MEMS IMU 是市场份额最大的品类,占比约为 56%,MEMS 加速度计的市场规模占比约为 34%,MEMS 陀螺仪的市场规模占比约为 10%。随着 MEMS IMU 技术的成 熟和系统综合成本的下降,整个 MEMS 惯性传感器市场正在经历巨大的变革,独立的 MEMS 加速度计和陀螺仪越来越多地被 MEMS IMU 所取代。2022 年国内 MEMS IMU 市场规模达到 43.1 亿元,至 2027 年有望达 75.5 亿 元,CAGR11.9%。

二、国内主要IMU相关公司

2.1、华依科技

公司紧跟智能驾驶的发展趋势,加大对高精度惯导研发力度,具备了满足不同客户需求,提 供多种解决方案的技术能力,实现车规级惯导技术的产品化。高精度惯导产品不依赖外部信号,具有高可靠性,并能够与车辆其他传感器数据融合,进一步提升车辆定位精度,逐渐成为 L3 及以上智能驾驶车辆的重要定位系统,在汽车智能驾驶应用领域尚处于起步阶段,具有广阔的成长空间。

2022 年公司高精度惯导业务进展加速,研发投入持续加大,依托强大的软件开发团队、跨学科专家的鼎力加盟和智能软件算法的快速迭代,公司 IMU 产品进度保持行业领先,实现应用层产品的率先落地。产品与多家主机厂已完成车型匹配工作,并初步建立了完整的生产体系,同时与国内多家厂商建立了深度合作关系。已获得部分客户的产品定点,其中奇瑞汽车定点、智己汽车定点已公告,后续有望获得更多的客户订单。

图|华依科技产品

来源:华依科技官网、与非研究院整理

智能汽车的发展将拉动包括高精度惯导在内的相关器件的发展。自动驾驶车辆需要对道路状况进行实时预测,为此,智能汽车必须具备远超人类的检测感知能力。惯性导航系统(INS) 是 L3 及以上等级自动驾驶车辆不可或缺的模块,能够在 GPS、GNSS、5G 等外部信号不佳时通过自身运动信息实现定位。惯性测量单元(IMU)则是 INS 中的核心部件,其原理是测量运载体本身的加速度以确定其的位置信息,实现导航和定位的目的。受益于自动驾驶技术的快速发展,惯性测量单元(IMU)的市场规模有望高速增长。

2.2、芯动联科

安徽芯动联科微系统股份有限公司成立于2012年,公司注册地位于安徽省蚌埠市。公司自成立以来在初始专用技术基础上持续发展高性能 MEMS 惯性传感器的相关核心技术,形成了MEMS惯性传感器核心技术体系,涵盖MEMS惯性传感器芯片设计、MEMS 工艺方案开发、封装与测试等主要环节。公司目前采用 Fabless 模式。

公司高性能MEMS惯性传感器产品已经达到其同类产品的性能等级,在MEMS惯性传感器领域处于国际先进水平。 在国内,公司较早从事高性能MEMS惯性传感器研发,是目前少数可以实现高性能MEMS惯性传感器稳定量产的企业,在MEMS 惯性传感器的市场具有较强的竞争壁垒,或将持续保证其盈利能力。

公司MEMS陀螺仪采用静电驱动、电容检测的开环闭环兼容的工作模式。 公司 MEMS 芯片采用多质量块差分解耦结构,具有优良的正交误差抑制能力、抗振动特性以及温度特性,有利于保持陀螺仪运行中的稳定性和测量精准性;公司 ASIC 芯片可以实现微小电容检测,使陀螺仪具有较高的灵敏度。

图|陀螺仪产品及性能

来源:芯动联科官网、与非研究院整理

公司 MEMS 加速度计通过分散式多单元结构的设计,使 MEMS 敏感结构具有高灵敏度、低漂移、低温度系数、良好的重复性等特性。公司 MEMS 加速度计基于 SOI 体硅工艺制造,配以高性能 ASIC 电路,可以实现 μg 级加速度测量 精度。

图|加速度计产品及性能

来源:芯动联科官网、与非研究院整理

2.3、矽睿科技

上海矽睿科技股份有限公司(QST)成立于2012年。专注于高质量传感器产品的设计、制造、以及增值应用与服务,致力于成为以应用为导向的多传感器平台,提供智能、集成、经济的传感器解决方案,加之领先的算法技术,协助我们的客户开发制造成功的系统产品,使人们轻松享受科技带来的美好生活。

公司产品包括多款MEMS传感器,如六轴IMU、加速度计、环境传感器、组合传感器等;磁性传感器芯片,如磁力计、磁编码器电流传感器霍尔传感器等;及汽车与物联网智能模组和系统。应用市场聚焦智能手机、智能穿戴、物联网、智能制造汽车电子,并向智慧医疗、元宇宙、与自动驾驶市场演进。

图|矽睿科技IMU、加速度计产品

来源:矽睿科技官网、与非研究院整理

2.4、赛微电子

2016 年,公司以 7.5 亿元人民币的价格完成对瑞典 Silex 的控股收购,瑞典 Silex 成为公司的全资子公司,同时成为MEMS业务板块的核心工厂及支持平台。

公司MEMS工艺开发业务是指根据客户提供的芯片设计方案,以满足产品性能、实现产品“可生产性”以及平衡经济效益为目标,利用工艺技术储备及项目开发经验,进行产品制造工艺流程的开发,为客户提供定制的产品制造流程。

2.4.1、行业地位

公司全资子公司瑞典Silex是全球领先的纯MEMS代工企业,服务于全球各领域巨头厂商,且公司正在北京推进建设“8英寸MEMS国际代工线建设项目”,有望继续保持纯MEMS代工的全球领先地位。根据世界权威半导体市场研究机构Yole Development的统计数据,2012年至今,Silex在全球MEMS代工厂营收排名中一直位居前五,在纯代工领域则位居第二,与意法半导体(STMicroelectronics)、TELEDYNE DALSA、台积电(TSMC)、索尼(SONY)等厂商持续竞争,长期保持在全球MEMS晶圆代工第一梯队。

图|2021 年全球纯 MEMS 代工企业收入排名

来源:Yole Development

2022 年 1 月以来,瑞典 FAB1&FAB2 积极维护并拓展已有通信、生物医疗、工业汽车、消费电子领域市场,积极推进新型 MEMS 硅光子器件、新型 MEMS 医学器件、新型 MEMS 红外器件、新型 MEMS 超声波换能器件、新型 MEMS 惯性器件(包括在 AR/VR 领域的新应用)等不同类别、不同型号产品的工艺开发及产品验证,积极提升现有 7000 片/月产能的利用率及良率

2.4.2、公司产能

2021 年北京 FAB3 8 英寸 MEMS 产线正式量产。2021 年二季度末公司“8 英寸 MEMS 国际代工线”(北京 FAB3)正式启动量产,公司全资子公司赛莱克斯国际、国家 集成电路基金分别持有项目公司赛莱克斯北京 70%、30%股权,该座晶圆厂定位于 规模生产 8 英寸 MEMS 晶圆,可服务下游消费电子、通讯、工业汽车及生物医疗等 领域的全球客户。

2023 年 12 月 29 日,北京赛微电子股份有限公司控股子公司赛莱克斯微系统科技(北京)有限公司代工制造的某款 MEMS-IMU(惯性测量单元)通过了客户验证,赛莱克斯北京收到该客户发出的采购订单,启动首批 MEMS-IMU 8 英寸晶圆的小批量试生产。

图|公司MEMS 产线情况

来源:国信证券研究所

近年来,赛莱克斯北京持续加大研发投入,自主积累基础工艺,积极探索各类 MEMS 器件的生产诀窍,努力为全球通信、生物医疗、工业汽车、消费电子等各领域客户,尤其是中国本土客户提供优质的 MEMS 工艺开发及晶圆制造服务,积极推动公司在本土形成和提升自主可控的 MEMS 生产制造能力,加速国产替代。

2.5、中芯集成

芯联集成团队已经在MEMS领域耕耘了已有十多年,拥有丰富的研发和大规模量产经验。 技术路线主要分为两类:第一种为器件直接接触外部环境的开放式结构,例如MEMS麦克风压力传感器超声波传感器等;第二种为器件密闭在封盖中的封闭式结构,例如振荡器、加速度计、陀螺仪等。

公司拥有国内规模最大、技术最先进的 MEMS 晶圆代工厂,牵头承担了国家科技部十四五规划重点专项“MEMS传感器批量制造平台”项目。公司具备体硅和表面硅工艺能力,针对主流应用开发了标准化成套制造工艺,重点研究攻克了高精度膜层沉积/生长、高强度键合技术、高兼容度的敏感元件低温工艺、无损集成器件的 MEMS 牺牲层释放技术等一系列共性关键技术,为国家快速发展的物联网、新能源汽车、5G 通信等领域的MEMS传感器芯片需求提供了强有力支撑。公司的MEMS产品已广泛进入了通讯类和消费类应用,多项先进车载传感器进入了新能源汽车供应链。

三、总结

预计2025年人形机器人IMU应用发展成熟,每台机器人需要3-4颗IMU提高机器人的精度,用来达到控制身体姿态、头部稳定补偿以及身体稳定的效果,而不只是目前初期的简单移动。预计2025年自动驾驶L3及以上渗透率为10%-20%,IMU作为智能驾驶车辆的重要定位系统,在汽车智能驾驶应用领域具有广阔的成长空间。

国内产业链中已经具备了华依科技、芯动联科、矽睿科技等IMU设计企业,还有赛微电子和中芯集成这样的MEMS IMU代工企业。人形机器人和自动驾驶汽车的崛起,也将同步带动IMU市场逐渐发展和成长起来,实现从低端到高端的跨越,突破技术封锁,实现国产替代。

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公司是专业从事卫星导航、惯性导航及组合导航等产业的高新技术企业,公司于2020年6月入驻位于北京亦庄经济技术开发区30000平米研发生产基地,投入设备资金5200 余万元,同时在山东青州建成8000余平米的产品生产试验分公司投资总额20000万元。目前员工135余人,研发团队42人,其中留美以及国内博士4人,生产以及售后服务人员40余人。

公司是专业从事卫星导航、惯性导航及组合导航等产业的高新技术企业,公司于2020年6月入驻位于北京亦庄经济技术开发区30000平米研发生产基地,投入设备资金5200 余万元,同时在山东青州建成8000余平米的产品生产试验分公司投资总额20000万元。目前员工135余人,研发团队42人,其中留美以及国内博士4人,生产以及售后服务人员40余人。收起

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与非网资深行业分析师,工科背景,11年行业研究经历。擅长从行业供需、量价、公司财务基本面等角度分析,洞悉电子行业未来发展方向,欢迎交流。