一周解一惑系列：人形機(jī)器人-視覺(jué)與IMU傳感器的再討論 20230715 -民生證券

本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告1?本周關(guān)注：福斯達(dá)、奧普光電、?本周關(guān)注：福斯達(dá)、奧普光電、冰輪環(huán)境、三花智控?本周核心觀點(diǎn)：關(guān)注業(yè)績(jī)預(yù)期表現(xiàn)較好的出口鏈及人形機(jī)器人?視覺(jué)傳感器：人形機(jī)器人中主要采用立體視覺(jué)與TOF法。1)當(dāng)前主流的的視覺(jué)方案分為飛行時(shí)間(TOF)法、立體視覺(jué)法、結(jié)構(gòu)光法。飛行時(shí)間法 (TOF)主要利用信號(hào)在兩個(gè)被反射面之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，結(jié)構(gòu)光法通過(guò)投影儀向目標(biāo)物體投射具有特殊結(jié)構(gòu)的圖案并使用另一個(gè)相機(jī)去觀察在三維物理表面成像的畸變情況，立體視覺(jué)法指從不同的視點(diǎn)獲取兩幅或多幅圖像重構(gòu)目標(biāo)物體3D結(jié)構(gòu)或深度信息，目前立體視覺(jué)3D可以通過(guò)單目、雙目、多目實(shí)現(xiàn)。2)綜合分析特斯拉、優(yōu)必選、小米、波士頓動(dòng)力，綜合成本與性能考慮，目前人形機(jī)器人中主要采用TOF法與立體視覺(jué)法。特斯拉Optimus機(jī)器人的3D傳感模塊以多目視覺(jué)為主，優(yōu)必選WALKERX采用基于多目視覺(jué)傳感器的三維立體視覺(jué)定位，小米發(fā)布的CyberOne機(jī)器人所搭載的Mi-Sense深度視覺(jué)模組是由小米設(shè)計(jì)，歐菲光協(xié)同開(kāi)發(fā)完成，而據(jù)歐菲光公開(kāi)的資料，其機(jī)器視覺(jué)深度相機(jī)模塊主要由iToF模組、RGB模組、可選的IMU模塊組成。波士頓動(dòng)力的Atlas頭部有兩個(gè)攝像頭其中一個(gè)是TOF深度相機(jī)。?視覺(jué)傳感器分為消費(fèi)級(jí)與工業(yè)級(jí)，不同情形下單價(jià)有差異。消費(fèi)級(jí)3D視覺(jué)方案對(duì)于精度的要求更低，對(duì)成本的控制更為嚴(yán)格。以?shī)W比中光披露的數(shù)據(jù)作為參考，其整體產(chǎn)品對(duì)B端的平均售價(jià)在100-1000元，C端零售價(jià)在1000-2000元，主要產(chǎn)品系列為T(mén)OF方案，以及單目/雙目+結(jié)構(gòu)光的組合方案。工業(yè)級(jí)機(jī)器視覺(jué)由于各廠商內(nèi)部情況和應(yīng)用場(chǎng)景不同，定制化程度更高，對(duì)技術(shù)、精度、穩(wěn)定性等的要求也更高，工業(yè)中的機(jī)器視覺(jué)單元主要由工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理器構(gòu)成。以埃科光電披露的數(shù)據(jù)作為參考，2D工業(yè)線掃相機(jī)單價(jià)約6000元，2D工業(yè)面掃相機(jī)的單價(jià)約3.6萬(wàn)元。工業(yè)相機(jī)主要由光源、鏡頭、圖像傳感器組成，圖像采集卡承擔(dān)著連接著工業(yè)相機(jī)與圖像處理器的功能。同樣根據(jù)?？乒怆姷牟少?gòu)數(shù)據(jù)，圖像傳感器單價(jià)約3000元，圖像處理芯片的價(jià)格約500元，而搭配使用的圖像采集卡價(jià)格約3000元。?IMU傳感器：人形機(jī)器人借助實(shí)現(xiàn)定位、平衡及姿態(tài)檢測(cè)。綜合分析UCLA論文、特斯拉、波士頓、小米，目前人形機(jī)器人中需要采用IMU，IMU慣性傳感器采集的角速度與加速度等慣性信息可以用于推算人形機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置與運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)可以與機(jī)器人搭載的多傳感器融合，在數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)頻率間實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。同時(shí)根據(jù)精度要求，IMU可分為消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)，根據(jù)原理的不同也可分為MEMSIMU，光纖IMU，其中自動(dòng)駕駛或人形機(jī)器人一般采用工業(yè)級(jí)的MMESIMU即可，其價(jià)格帶在數(shù)百元至數(shù)千元。?IMU難點(diǎn)主要在解決誤差和提高精度。MEMSIMU的誤差一是來(lái)源于慣性傳感器自身的誤差，二是IMU在集成過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。而上述兩種誤差又可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。其中系統(tǒng)誤差主要有零偏誤差、非正交誤差、非線性誤差、溫度誤差等、除去解決每種系統(tǒng)誤差的方法外，隨機(jī)誤差也可以通過(guò)后期算法校準(zhǔn)，通常采用Allan方差法，這也是壁壘之一。?投資建議：建議關(guān)注有相關(guān)IMU、視覺(jué)傳感器及核心零部件布局公司芯動(dòng)聯(lián)科、華依科技、奧比中光、?？乒怆?新股)。?風(fēng)險(xiǎn)提示：人形機(jī)器人需求不及預(yù)期、量產(chǎn)技術(shù)路線中對(duì)傳感器精度需求較低導(dǎo)致單價(jià)波動(dòng)。一惑系列：人形機(jī)器人——視覺(jué)與IMU傳感器的再討論2023年07月16日維持評(píng)級(jí)師師S110006mszqcomS110010zqcom相關(guān)研究1.一周解一惑系列：核電閥門(mén)需求空間幾2.一周解一惑系列：半導(dǎo)體封裝測(cè)試設(shè)備及市場(chǎng)空間梳理-2023/07/023.一周解一惑系列：絲桿與直線導(dǎo)軌：高精密直線運(yùn)動(dòng)核心部件-2023/06/264.機(jī)器人的進(jìn)化與覺(jué)醒——人形機(jī)器人執(zhí)行&傳感機(jī)構(gòu)探討-2023/06/245.一周解一惑系列：多領(lǐng)域散熱材料、工藝的發(fā)展歷史與路徑演繹-2023/06/19行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告21機(jī)器視覺(jué)方案介紹 31.1走進(jìn)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè) 31.2機(jī)器視覺(jué)方案 41.3機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)空間 92機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈上游介紹 102.1相機(jī)分類及標(biāo)準(zhǔn) 102.2機(jī)器視覺(jué)上游零部件介紹 122.3機(jī)器視覺(jué)部件單價(jià)一探 143慣性導(dǎo)航方案 173.1IMU(慣性測(cè)量單元)介紹 174慣性導(dǎo)航在自動(dòng)駕駛和人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用 204.1高精度慣導(dǎo)為L(zhǎng)2.5+自動(dòng)駕駛剛需 204.2人形機(jī)器人借助IMU實(shí)現(xiàn)定位、平衡及姿態(tài)檢測(cè) 225IMU技術(shù)難點(diǎn)重在解決誤差和提高精度 235.1慣性傳感器中存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差 235.2光纖陀螺儀技術(shù)難點(diǎn) 245.3MEMS陀螺儀與IMU技術(shù)難點(diǎn) 245.4誤差補(bǔ)償?shù)耐窘?jīng)：算法與校準(zhǔn) 286IMU市場(chǎng)空間 307風(fēng)險(xiǎn)提示 32插圖目錄 33表格目錄 33行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告31機(jī)器視覺(jué)方案介紹1.1走進(jìn)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，即用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀的三維世界的識(shí)別。人的視覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)三維采樣系統(tǒng)，三維物體的可見(jiàn)部分投影到網(wǎng)膜上，人們按照投影到視網(wǎng)膜上的二維的像來(lái)對(duì)該物體進(jìn)行三維理解。所謂三維理解是指對(duì)被觀察對(duì)象的形狀、尺寸、離開(kāi)觀察點(diǎn)的距離、質(zhì)地和運(yùn)動(dòng)特征(方向和速度)等的理解。機(jī)器視覺(jué)由此衍生而來(lái)，是一個(gè)“光、機(jī)、電、算、軟”等技術(shù)高度集成的系統(tǒng)。一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：照明光源、光學(xué)鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、圖像檢測(cè)軟件、監(jiān)視器、通訊單元等。1.1.1機(jī)器視覺(jué)工作原理與功能機(jī)器視覺(jué)工作原理主要為通過(guò)包括工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭的機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品捕捉被檢測(cè)物品的圖像，并將其信息轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，隨后將傳送至圖像處理系統(tǒng)的亮度、顏色以及尺寸等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)最后將此類信號(hào)進(jìn)行計(jì)算以抽取目標(biāo)特征并利用其運(yùn)算結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。圖1：機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)造機(jī)器視覺(jué)在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，按功能主要分為四大類：定位、識(shí)別、測(cè)量、檢測(cè)，目前在工業(yè)應(yīng)用中以檢測(cè)功能為主。行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告4表1：機(jī)器視覺(jué)的四大功能機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的第一步是根據(jù)一定的模板在相機(jī)視野中找到相對(duì)應(yīng)的對(duì)象或特征，關(guān)注對(duì)象的定位是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。如模式匹配軟件工具無(wú)法精確定位圖像中的零件，則無(wú)法進(jìn)行識(shí)別、引導(dǎo)、檢測(cè)或測(cè)量。定位功能主導(dǎo)，是工業(yè)機(jī)器人重要的輔助性功能。應(yīng)用場(chǎng)景占比位統(tǒng)確認(rèn)相對(duì)應(yīng)的字符串是否存在。此外，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還可以通過(guò)定位具體圖案來(lái)識(shí)別零件種類或根據(jù)顏色、形狀識(shí)別物品。在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，物流標(biāo)簽讀取和字符識(shí)別是識(shí)別功能最直接的服務(wù)對(duì)象。測(cè)量距離和位置以評(píng)估是否符合規(guī)格。測(cè)量應(yīng)用中的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以計(jì)算并測(cè)量對(duì)象上兩個(gè)點(diǎn)、多個(gè)點(diǎn)甚至測(cè)量距離和位置以評(píng)估是否符合規(guī)格。測(cè)量應(yīng)用中的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以計(jì)算并測(cè)量對(duì)象上兩個(gè)點(diǎn)、多個(gè)點(diǎn)甚至幾何位置之間的距離以確定這些測(cè)量是否符合規(guī)格。如不符合標(biāo)準(zhǔn)，視覺(jué)系統(tǒng)向機(jī)器控制器發(fā)送失敗信號(hào)，觸測(cè)量10%發(fā)拒絕機(jī)制，并將對(duì)象從生產(chǎn)線上彈出。在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，測(cè)量功能主要應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)物體的高速、高精測(cè)量，特別適合復(fù)雜形態(tài)測(cè)量。是對(duì)識(shí)別、測(cè)量、定位功能的集成和深度應(yīng)用，主要表現(xiàn)為通過(guò)使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行缺陷檢測(cè)，檢測(cè)50%在產(chǎn)品質(zhì)量一致性控制和成本控制上發(fā)揮著重要作用。21)》，民生證券研究院1.1.2機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈上游為光源、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)等核心硬件及圖像處理軟件的供應(yīng)商；中游為產(chǎn)業(yè)鏈核心價(jià)值環(huán)節(jié)，以工業(yè)視覺(jué)設(shè)備廠商、系統(tǒng)廠商、綜合視覺(jué)廠商為主；下游應(yīng)用領(lǐng)域眾多，包括電子、汽車(chē)、半導(dǎo)體、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等。產(chǎn)業(yè)鏈上游的工業(yè)鏡頭相機(jī)、圖像采集卡等核心零部件與算法軟件是機(jī)器視覺(jué)價(jià)值最高的部分，其成本占據(jù)工業(yè)視覺(jué)產(chǎn)品總成本的80%。尤其是在工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、底層軟件系統(tǒng)等技術(shù)壁壘高、利潤(rùn)率高的部分，康耐視和基恩士等國(guó)外企業(yè)有著深厚的研發(fā)技術(shù)積累，具備軟硬件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)，且毛利率較高。國(guó)產(chǎn)工業(yè)鏡頭目前在光學(xué)指標(biāo)上已經(jīng)具備一定競(jìng)爭(zhēng)力，整體市場(chǎng)發(fā)展迅速，雖然大多廠商體量較小，但性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，且鏡頭制作工藝已經(jīng)能夠滿足視覺(jué)系統(tǒng)的基本需要，降低成本、國(guó)產(chǎn)化替代勢(shì)頭愈猛。1.2機(jī)器視覺(jué)方案1.2.1機(jī)器視覺(jué)的主流方案工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)對(duì)其移動(dòng)、操作有著重要決定作用，機(jī)器人手眼系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)成像單元安裝方式不同，機(jī)器人手眼系統(tǒng)分為兩類：固定成像單元眼看手系統(tǒng)(Eye-to-Hand)和隨動(dòng)成像單元眼在手系統(tǒng)(Eye-in-HandorHand-Eye)。眼看手系統(tǒng)是將視覺(jué)成像單元安裝在本體之外的固定位置，不隨機(jī)器人移動(dòng)的一種系統(tǒng)，具有視線全面、控制簡(jiǎn)單、抗震性能好、姿態(tài)估計(jì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也存在分辨率低、容易產(chǎn)生遮擋問(wèn)題等缺點(diǎn)。眼在手系統(tǒng)顧名思義即為視覺(jué)成像單元安裝在機(jī)器人手臂末端的系統(tǒng)，攝像頭隨機(jī)器人一同移動(dòng)，盡管會(huì)產(chǎn)生機(jī)械臂遮擋成像的問(wèn)題，但有著空間分辨率高、有效克服標(biāo)定誤行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告5差等優(yōu)點(diǎn)。有些場(chǎng)合也會(huì)采用兩者混用的協(xié)同模式，通過(guò)眼看手系統(tǒng)負(fù)責(zé)定位，用眼在手系統(tǒng)負(fù)責(zé)定向和高精度操作。除了根據(jù)位置進(jìn)行分類，不同的原理也衍生出了不同的方案。3D視覺(jué)是機(jī)器人感知的最先進(jìn)、最重要的方法，可以分為光學(xué)和非光學(xué)成像方法。目前應(yīng)用最多的方法是光學(xué)方法，包括：飛行時(shí)間法、結(jié)構(gòu)光法、激光掃描法、莫爾條紋法、激光散斑法、干涉法、照相測(cè)量法、激光跟蹤法、從運(yùn)動(dòng)獲得形狀、從陰影獲得形狀，以及其他的ShapefromX等。飛行時(shí)間法(TOF)主要利用信號(hào)在兩個(gè)被反射面之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，精度為厘米級(jí)，原理簡(jiǎn)單，模塊體積小，測(cè)量距離范圍較大，抗干擾能力較強(qiáng)。直接TOF(D-TOF)是探測(cè)器系統(tǒng)在發(fā)射光脈沖的同時(shí)啟動(dòng)探測(cè)接收單元進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)探測(cè)器接收到目標(biāo)發(fā)出的光回波時(shí)，探測(cè)器直接存儲(chǔ)往返時(shí)間，通過(guò)光飛行時(shí)間測(cè)算目標(biāo)距離，常用于單點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)面積范圍3D成像，通常需要采用掃描技術(shù)，無(wú)掃描TOF三維成像技術(shù)直到近幾年才實(shí)現(xiàn)。間接TOF(I-TOF)方案中，時(shí)間往返行程是從光強(qiáng)度的時(shí)間選通測(cè)量中間接外推獲得的，不需要精確的計(jì)時(shí)，而是采用時(shí)間選通光子計(jì)數(shù)器或電荷積分器，它們可以在像素級(jí)實(shí)現(xiàn)。I-TOF是目前基于TOF相機(jī)的電子和光混合器的商用化解決方案。結(jié)構(gòu)光投影三維成像目前是機(jī)器人3D視覺(jué)感知的主要方式。結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)是由若干個(gè)投影儀和相機(jī)組成，常用的結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)瓮队皟x-單相機(jī)、單投影儀-雙相機(jī)、單投影儀-多相機(jī)、單相機(jī)-雙投影儀和單相機(jī)-多投影儀等。結(jié)構(gòu)光投影三維成像的基本工作原理是：通過(guò)投影儀向目標(biāo)物體投射具有特殊結(jié)構(gòu)的圖案(如離散光斑、條紋光、編碼結(jié)構(gòu)光等)，使用另一個(gè)相機(jī)去觀察在三維物理表面成像的畸變情況，再通過(guò)圖像處理和視覺(jué)模型求出目標(biāo)物體的三維信息。根據(jù)結(jié)構(gòu)光投影次數(shù)劃分，結(jié)構(gòu)光投影三維成像可以分成單次投影3D和多次投3D方法。圖3：結(jié)構(gòu)光投影三維成像圖示行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告6立體視覺(jué)字面意思是用一只眼睛或兩只眼睛感知三維結(jié)構(gòu)，一般情況下是指從不同的視點(diǎn)獲取兩幅或多幅圖像重構(gòu)目標(biāo)物體3D結(jié)構(gòu)或深度信息。目前立體視覺(jué)3D可以通過(guò)單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)、多(目)視覺(jué)、光場(chǎng)3D成像(電子復(fù)眼或陣列相機(jī))實(shí)現(xiàn)。單目視覺(jué)深度感知線索通常有：透視、焦距差異、多視覺(jué)成像、覆蓋、陰影、運(yùn)動(dòng)視差等。在機(jī)器人視覺(jué)里還可以用鏡像，以及其他shapefromX等方法實(shí)現(xiàn)。雙目視覺(jué)深度感知視覺(jué)線索有：眼睛的收斂位置和雙目視差。在機(jī)器視覺(jué)里利用兩個(gè)相機(jī)從兩個(gè)視點(diǎn)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景獲取兩個(gè)視點(diǎn)圖像，再計(jì)算兩個(gè)視點(diǎn)圖像中同名點(diǎn)的視差獲得目標(biāo)場(chǎng)景的3D深度信息。典型的雙目立體視覺(jué)計(jì)算過(guò)程包含下面四個(gè)步驟：圖像畸變矯正、立體圖像對(duì)校正、圖像配準(zhǔn)和三角法重投影視差圖計(jì)算。圖4：立體視覺(jué)-雙目成像原理多(目)視覺(jué)成像，也稱多視點(diǎn)立體成像，用單個(gè)或多個(gè)相機(jī)從多個(gè)視點(diǎn)獲取同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景的多幅圖像，重構(gòu)目標(biāo)場(chǎng)景的三維信息。多視點(diǎn)立體成像主要用于下列幾種場(chǎng)景：1)使用多個(gè)相機(jī)從不同視點(diǎn)，獲取同一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景多幅圖像，然后基于特征的立體重構(gòu)等算法求取場(chǎng)景深度和空間結(jié)構(gòu)信息；2)從運(yùn)動(dòng)恢復(fù)形狀的技術(shù)。使用同一相機(jī)在其內(nèi)參數(shù)不變的條件下，從不同視點(diǎn)獲取多幅圖像，重構(gòu)目標(biāo)場(chǎng)景的三維信息。該技術(shù)常用于跟蹤目標(biāo)場(chǎng)景中大量的控制點(diǎn)，連續(xù)恢復(fù)場(chǎng)景的3D結(jié)構(gòu)信息、相機(jī)的姿態(tài)和位置。光場(chǎng)3D成像的原理與傳統(tǒng)相機(jī)成像原理在結(jié)構(gòu)原理上有所差異，傳統(tǒng)相機(jī)成像是光線穿過(guò)鏡頭在后續(xù)的成像平面上直接成像，一般是2D圖像。光場(chǎng)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)蝹€(gè)相機(jī)可以進(jìn)行3D成像，橫向和深度方向的空間分辨率可以達(dá)到20μm到mm量級(jí)，景深比普通相機(jī)大好幾倍，比較適合Eye-in-Hand系統(tǒng)3D行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告7測(cè)量與引導(dǎo)，但目前精度適中的商業(yè)化光場(chǎng)相機(jī)價(jià)格昂貴。表2：機(jī)器視覺(jué)不同方案對(duì)比視覺(jué)方案缺點(diǎn)直接測(cè)量法ToF計(jì)算量少；通過(guò)調(diào)整脈沖周期可以提高測(cè)量距離少ns全局曝光。計(jì)算量相對(duì)較大；需要通過(guò)多個(gè)頻率計(jì)算擴(kuò)大測(cè)量距離目，硬件功耗較低；4.室內(nèi)室外都可使用；變化導(dǎo)致圖像偏差大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)2.不適用單調(diào)缺乏紋理的場(chǎng)景，雙目視覺(jué)根據(jù)視覺(jué)特征進(jìn)行圖算量較大；4.基線限制了測(cè)量范圍，測(cè)量范圍和基線(兩個(gè)攝像頭間距)成正比，導(dǎo)致無(wú)法小型化。結(jié)構(gòu)光光，因而非常適合在光以達(dá)到較高的測(cè)量精度；3.技術(shù)成熟，深度圖像可是因?yàn)樵谑彝馊菀资艿綇?qiáng)自然光影響，導(dǎo)致投射的編碼光被淹沒(méi)。增加投射光源的功率可以一2.測(cè)量距離較近。物體距離相機(jī)越遠(yuǎn)，物體上的投影圖案越大，精度也越差(想象一下手電筒照射遠(yuǎn)處的情景)，相對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度也越差。所以基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)測(cè)量精度隨著距機(jī)器視覺(jué)技術(shù)逐漸從2D向3D演進(jìn)，3D機(jī)器視覺(jué)將進(jìn)一步提升工業(yè)制造領(lǐng)域的自動(dòng)化滲透率。其中，識(shí)別距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)以及功耗較低的TOF方案有望在未來(lái)成為主流應(yīng)用。1.2.2人形機(jī)器人主要視覺(jué)方案表3：主要人形機(jī)器人的視覺(jué)方案TOFTOF特斯拉覺(jué)?光優(yōu)必選?米波士頓動(dòng)力?特斯拉Optimus機(jī)器人的3D傳感模塊以多目視覺(jué)為主，頭部使用三顆Autopilot攝像頭作為感知系統(tǒng)：Left/RightPillarCamera左肩/右肩攝像頭，和FisheyeCamera中央魚(yú)眼攝像頭，提供大于180度體前場(chǎng)景覆蓋。在采集信息后，通過(guò)強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理和識(shí)別不同任務(wù)，依靠其胸腔內(nèi)部搭載的FSD全套計(jì)算機(jī)完成。行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告8圖5：特斯拉Optimus視覺(jué)外觀圖6：特斯拉Optimus視覺(jué)畫(huà)面優(yōu)必選WALKERX采用基于多目視覺(jué)傳感器的三維立體視覺(jué)定位，采用Coarse-to-fine的多層規(guī)劃算法，第一視角實(shí)景AR導(dǎo)航交互及2.5D立體避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下全局最優(yōu)路徑自主導(dǎo)航。WALKER應(yīng)用視覺(jué)SLAM算法，視覺(jué)定位技術(shù)已經(jīng)達(dá)到商用水平。圖7：優(yōu)必選WalkerX圖8：小米Mi-Sense深度視覺(jué)模組結(jié)構(gòu)參考小米發(fā)布的CyberOne機(jī)器人所搭載的Mi-Sense深度視覺(jué)模組是由小米設(shè)計(jì)，歐菲光協(xié)同開(kāi)發(fā)完成。而據(jù)歐菲光公開(kāi)的資料，其機(jī)器視覺(jué)深度相機(jī)模塊主要由iToF模組、RGB模組、可選的IMU模塊組成，產(chǎn)品在測(cè)量范圍內(nèi)精度高達(dá)1%，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，可通過(guò)第三方實(shí)驗(yàn)室IEC60825-1認(rèn)證，滿足激光安全Class1標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合AI交互算法，Mi-Sense深度視覺(jué)模組使其不僅擁有完整的三維空間感知能力，更能夠?qū)崿F(xiàn)人物身份識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別，CyberOne做到不僅看得到也能看得懂。波士頓動(dòng)力的Atlas頭部有兩個(gè)攝像頭，一個(gè)是彩色相機(jī)，另一個(gè)則是TOF深度相機(jī)。Atlas使用TOF深度相機(jī)以每秒15幀的速度生成環(huán)境的點(diǎn)云，點(diǎn)云是測(cè)距的大規(guī)模集合。Atlas的感知軟件使用一種名為多平面分割的算法從點(diǎn)云本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告9中提取平面。多平面分割算法的輸入饋入到一個(gè)映射系統(tǒng)中，該系統(tǒng)為Atlas通過(guò)相機(jī)看到的各種不同對(duì)象構(gòu)建模型，Atlas再基于它構(gòu)建的模型來(lái)規(guī)劃路徑。圖9：波士頓動(dòng)力Atlas視覺(jué)外觀圖10：波士頓動(dòng)力Atlas視覺(jué)原理1.3機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)空間中國(guó)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)相對(duì)于國(guó)際機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)發(fā)展較晚，全球市場(chǎng)以基恩士 (日)、康耐視(美)、巴勒斯(德)等為代表的國(guó)際廠商為主。但在中國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)自動(dòng)化與數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的驅(qū)動(dòng)以及在中國(guó)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不斷更新迭代的背景下，中國(guó)本土廠商占據(jù)的市場(chǎng)份額持續(xù)提升。以?？低?、大恒科技、天準(zhǔn)科技為代表的中國(guó)本土機(jī)器視覺(jué)廠商已在核心零部件(工業(yè)相機(jī)、圖像處理軟件、光源、鏡頭、視覺(jué)控制系統(tǒng)等)技術(shù)與獨(dú)立軟件算法等方面進(jìn)行大力投入，其整體的品牌競(jìng)爭(zhēng)力有望持續(xù)提升。GGII數(shù)據(jù)顯示，從全球市場(chǎng)來(lái)看，2021年全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模約為804億元，同比2020年增長(zhǎng)12.15%，預(yù)計(jì)至2025年該市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1200億元，2022年至2025年復(fù)合增長(zhǎng)率約為12%；從中國(guó)市場(chǎng)來(lái)看，2021年中國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模138.16億元(該數(shù)據(jù)未包含自動(dòng)化集成設(shè)備規(guī)模)，同比增長(zhǎng)46.79%，預(yù)計(jì)至2025年我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到349億元。2021年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍以外國(guó)廠商為主，基恩士、康耐視、巴勒斯三巨頭在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額接近50%，但隨著中國(guó)本土機(jī)器視覺(jué)企業(yè)數(shù)量的提升，同時(shí)本土廠商品憑借為下游客戶提供定制化服務(wù)與性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)份額不斷提升，以天準(zhǔn)科技、奧普特為代表的本土廠商市場(chǎng)份額進(jìn)入國(guó)內(nèi)前十，中國(guó)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)化率。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告102機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈上游介紹2.1相機(jī)分類及標(biāo)準(zhǔn)2.1.1根據(jù)相機(jī)的工作方式分類根據(jù)相機(jī)的工作方式的不同，可以將視覺(jué)傳感器中的相機(jī)分成單目相機(jī)、雙目相機(jī)和深度相機(jī)。深度相機(jī)能夠獲取場(chǎng)景中像素點(diǎn)的深度信息，通過(guò)使用不同的技術(shù)，如結(jié)構(gòu)光、飛行時(shí)間等，可以實(shí)時(shí)捕捉物體的三維形狀和距離信息，又分成結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)以及光飛行時(shí)間法深度相機(jī)。單目主要是可見(jiàn)光攝像頭，雙目由一個(gè)可見(jiàn)光攝像頭加一個(gè)紅外光攝像頭組成。單目相機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，本質(zhì)上是拍照時(shí)的場(chǎng)景，在相機(jī)的成像平面上留下一個(gè)投影，以二維的形式反映三維的世界。雙目相機(jī)通過(guò)兩個(gè)相機(jī)之間的距離來(lái)估計(jì)每個(gè)像素的空間位置，基線距離越大，能夠測(cè)量到的就越遠(yuǎn)。雙目與多目的缺點(diǎn)是配置與標(biāo)定均較為復(fù)雜，其深度量程和精度受雙目的基線與分辨率的限制，而且視覺(jué)計(jì)算非常消耗計(jì)算資源，需要使用GPU和FPGA設(shè)備加速后，才能實(shí)時(shí)輸出整張圖像的距離信息。圖11：?jiǎn)文肯鄼C(jī)圖12：雙目相機(jī)結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)是通過(guò)近紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門(mén)的紅外攝像頭進(jìn)行采集。這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會(huì)因被攝物體的不同深度區(qū)域，而采集不同的圖像相位信息，然后通過(guò)運(yùn)算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，以此來(lái)獲得三維結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，通過(guò)光學(xué)手段獲取被拍攝物體的三維結(jié)構(gòu)，再將獲取到的信息進(jìn)行更深入的應(yīng)用。光飛行時(shí)間法(TOF)深度相機(jī)是通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)射激光脈沖，然后用傳感器接收從反射光線，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行往返時(shí)間來(lái)得到確切的目標(biāo)物距離。TOF法根據(jù)調(diào)制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調(diào)制 (PulsedModulation)和連續(xù)波調(diào)制(ContinuousWaveModulation)。脈沖本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告11調(diào)制需要非常高精度時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量，且需要發(fā)出高頻高強(qiáng)度激光，目前大多采用檢測(cè)相位偏移辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)TOF功能。圖13：結(jié)構(gòu)光相機(jī)圖14：ToF相機(jī)2.1.2各類型相機(jī)所獲取的信息類型單目相機(jī)不能通過(guò)單張圖片得到深度信息(距離)，存在尺寸不確定的現(xiàn)象，只能獲取二維圖像信息。雙目相機(jī)利用左右目的視差計(jì)算像素的距離，從而實(shí)現(xiàn)自身的定位。立體視覺(jué)既可以在運(yùn)動(dòng)時(shí)估計(jì)深度，亦可在靜止時(shí)估計(jì)，消除了單目視覺(jué)的無(wú)法得到深度信息的麻煩。深度相機(jī)比傳統(tǒng)相機(jī)能夠提供更豐富的信息，除了獲取二維圖像信息外，還能直接獲取場(chǎng)景中各點(diǎn)的深度信息，因此可以進(jìn)行更精確的三維分析和交互。2.1.3各類型相機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景單目相機(jī)常見(jiàn)于手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等便攜式設(shè)備中，可適用于無(wú)人機(jī)定位與導(dǎo)航、機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航、物體尺寸測(cè)量及運(yùn)動(dòng)捕捉等場(chǎng)景。雙目相機(jī)因?yàn)榭梢垣@取更為深度的信息，因此可用于深度估計(jì)、立體視覺(jué)、自動(dòng)駕駛、手勢(shì)識(shí)別等。深度相機(jī)能夠獲取場(chǎng)景中像素點(diǎn)的深度信息，通過(guò)使用不同的技術(shù)，如結(jié)構(gòu)光，飛行時(shí)間等，可以實(shí)時(shí)捕捉物體的三維形狀和距離信息。結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)可用于物體信息分割與識(shí)別、3D人臉識(shí)別、體感手勢(shì)識(shí)別、三維場(chǎng)景重建等。TOF深度相機(jī)可用于汽車(chē)自動(dòng)駕駛、工業(yè)HMI(人機(jī)接口)人臉識(shí)別系統(tǒng)、工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估、機(jī)器人導(dǎo)航、識(shí)別外界環(huán)境、規(guī)劃路徑、實(shí)現(xiàn)避障行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告122.2機(jī)器視覺(jué)上游零部件介紹2.2.1工業(yè)相機(jī)部件組成和介紹工業(yè)相機(jī)硬件通常由鏡頭、圖像傳感器、圖像處理電路及圖像傳輸電路組成鏡頭一般是由透鏡+鏡筒+間隔環(huán)和鏡座組成，透鏡一般有塑膠透鏡和玻璃透鏡。工業(yè)相機(jī)常用的鏡頭構(gòu)造有：2G2P、4G2P、5G、6G等，透鏡越多，成本越高，且玻璃透鏡比塑膠貴，非球面比球面貴。圖像傳感器按照半導(dǎo)體感光元器件類型的差異主要分為兩大類：CCD(chargecoupleddevice)和CMOS(complementarymetaloxidesemiconductor)。CCD和CMOS都基于光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由于CMOS各個(gè)像素點(diǎn)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器獨(dú)立工作，一致性相對(duì)較差，因此成像質(zhì)量低于CCD。圖像信號(hào)處理電路接收CIS的傳送過(guò)來(lái)的RAW數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)系列處理轉(zhuǎn)換為最終的RGB數(shù)據(jù)。在工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)用比較多的圖像處理平臺(tái)為這兩種：FPGA和Camera+圖像采集卡+計(jì)算機(jī)。FPGA為現(xiàn)場(chǎng)編程、并行架構(gòu)IC，靈活性高，可以運(yùn)行客戶定制算法。在典型應(yīng)用場(chǎng)景的圖像處理算法比較成熟，如：特征識(shí)別、顏色識(shí)別、缺陷檢測(cè)等。圖像信號(hào)傳輸接口分為模擬接口和數(shù)字接口，由于抗干擾能力強(qiáng)、易于加密、便于后續(xù)處理等等因素，數(shù)字化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。工業(yè)相機(jī)使用較多的接口為：Camera-Link、CoaXPress、GBE、USB3.0。圖15：工業(yè)相機(jī)零部件組成示意圖院2.2.2圖像采集卡介紹機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)分為圖像采集與圖像處理兩大板塊，圖像采集部分主要由LED光源、工業(yè)鏡頭以及工業(yè)相機(jī)互相配合組合而成，圖像處理部分則是由圖像處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在原理結(jié)構(gòu)上，圖像采集卡承擔(dān)著連接著工業(yè)相機(jī)與圖像處理軟件的功能，它要準(zhǔn)確接受前端攝像機(jī)的各種規(guī)格的視頻數(shù)據(jù)，接收外來(lái)的觸發(fā)脈沖，并啟動(dòng)攝像機(jī)的曝光和掃描，在系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。圖像采集卡又稱為圖像卡，它將攝像機(jī)的圖像視頻信號(hào)，以幀為單位，送到行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告13計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和VGA幀存，供計(jì)算機(jī)處理、存儲(chǔ)、顯示和傳輸?shù)仁褂茫辉跈C(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像卡采集到的圖像，供處理器作出工件是否合格、運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)偏差量、缺陷所在的位置等等的處理。2.2.3圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模及其頭部廠商隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，全球圖像傳感器市場(chǎng)有望實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。隨著汽車(chē)、消費(fèi)電子、醫(yī)療保健和安防等行業(yè)對(duì)高質(zhì)量成像解決方案的需求不斷增加，圖像傳感器市場(chǎng)有望在未來(lái)幾年達(dá)到新的里程碑。根據(jù)MordorIntelligenceResearch&Advisory預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，全球CCD圖像傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)2023至2028年將實(shí)現(xiàn)3.1%的復(fù)合年增長(zhǎng)；全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)2023至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)到6.22%。全球圖像傳感器頭部品牌商有圖像傳感器全球市場(chǎng)頭部制造商有Sony(索尼)、ON(安美森)、Panasonic(松下)、Samsung(三星)、OmniVision(美商半導(dǎo)體，中文名豪威科技)、Canon(佳能)、STMicroelectronicsN.V.(意法半導(dǎo)體)、Toshiba(東芝)、SKhynix(海力士)。圖18：CCD圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模和頭部廠商圖19：CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模和頭部廠商行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告142.2.4圖像處理芯片市場(chǎng)規(guī)模及其頭部廠商FPGA是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片，由Xilinx創(chuàng)始人RossFreeman發(fā)明，屬于可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevice，PLD)的一種。FPGA通常應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理、視頻處理、圖像處理、5G通信領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)控制、云服務(wù)、加速計(jì)算、人工智能、數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)駕駛、芯片驗(yàn)證等場(chǎng)根據(jù)MordorIntelligenceResearch&Advisory預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。2023年FPGA的市場(chǎng)規(guī)模為87.6194億美元，2028年預(yù)計(jì)將達(dá)到131億美元，2023-2028年年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.32%。頭部制造商有Altera(阿特拉)、Xilinx(賽靈思)、Lattice(萊迪思)、Intel(英特爾)、QuickLogic(快輯)。圖20：圖像處理器芯片(FPGA)市場(chǎng)規(guī)模和頭部廠商2.3機(jī)器視覺(jué)部件單價(jià)一探消費(fèi)級(jí)3D視覺(jué)方案對(duì)于精度的要求更低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)成本的控制更為嚴(yán)格。以?shī)W比中光披露的采購(gòu)詳情作為參考：奧比中光采購(gòu)主要成本集中在電子器件，占采購(gòu)總金額的23.38%，單價(jià)最貴的元件為通用感光芯片。表4：奧比中光3D傳感器上游零部件單價(jià)及成本占比稱單價(jià)(元/件)占采購(gòu)總金額比例結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)件通用感光芯片頭激光激光發(fā)射器濾光片衍射光學(xué)元件衍射光學(xué)元件行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告15雙目結(jié)構(gòu)光雙目結(jié)構(gòu)光表5：奧比中光系列產(chǎn)品單價(jià)(2021)基于邊發(fā)射激光投影，搭載了公司自研深度引擎芯片的結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)傳感器；通用性較強(qiáng)，測(cè)量范圍大、應(yīng)用場(chǎng)景多，適用于各類開(kāi)發(fā)者進(jìn)行原型機(jī)開(kāi)發(fā)；適用于AIoT領(lǐng)域的空間掃描、服務(wù)機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景。銷售收入(萬(wàn)元)單價(jià)(元/臺(tái))銷量(萬(wàn)臺(tái))AstraAstraE基于VCSEL激光投影，搭載了公司自研深度引擎芯片的結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)傳感器；最初為生物識(shí)別、近距離機(jī)器人等領(lǐng)域設(shè)計(jì)，產(chǎn)品體積較小、嵌入式整合難度低、有一定的定制靈活性；適用于生物識(shí)別領(lǐng)域下支付場(chǎng)景、智能門(mén)鎖等應(yīng)用場(chǎng)景?；诨赩CSEL激光投影，搭載公司自研深度引擎芯片的雙目3D視覺(jué)傳感器；最初為生物識(shí)別、機(jī)器人等行業(yè)的戶外、半戶外場(chǎng)景設(shè)計(jì)；體AstraG積較小，嵌入式整合難度低，有定的定制靈活性；是對(duì)AstraE系列的補(bǔ)充，精度略微降低，但是戶外能力強(qiáng)化；適用于AIoT領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人、智慧農(nóng)牧、智能交通等應(yīng)用場(chǎng)景。412.74AstraX基于iToF技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品，支持公司自研ioF感光芯片，使用公司自研iToF算法；高度可定制的ioF3D視覺(jué)傳感器，主要用于手機(jī)、平板、電視等對(duì)深度定制有需求的客戶；適用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的智能手、智能電視等應(yīng)用場(chǎng)景?；赩CSBL激光投影，搭載公司自研深度引擎芯片的結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)傳感器；高度可定制的參考設(shè)計(jì)，可以根據(jù)客戶對(duì)精度、環(huán)境適應(yīng)AstraP性、量程等需求進(jìn)行深度定制；適合應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、門(mén)鎖等大規(guī)模消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品；在手機(jī)前置結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域達(dá)到過(guò)百萬(wàn)級(jí)別的量立；適用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的智能手機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景。--AstraT基于iToF技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品，支持第三方iToF感光芯片、公司自研ioF感光芯片，使用公司自研iToF算法；公司首款iToF領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)品本類產(chǎn)品目前使用模塊化設(shè)計(jì),板載深度算力強(qiáng)，深度圖像質(zhì)量高，測(cè)量圍較大；AIOT領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)景。35,345.635,345.60357.04計(jì)99.00表6：奧比中光部分零售產(chǎn)品圖價(jià)格(元)單目結(jié)構(gòu)光奧比中光(ORBBEC)單目結(jié)構(gòu)光奧奧比中光(ORBBEC)Gemini2行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告16奧比中光(ORBBEC)FemtoiToF3工業(yè)級(jí)機(jī)器視覺(jué)由于各廠商內(nèi)部情況和應(yīng)用場(chǎng)景不同，需求各有不同，整體市場(chǎng)定制化程度更高，對(duì)技術(shù)、精度、穩(wěn)定性等的要求也更高，很多廠商也采購(gòu)國(guó)外品牌，因此整體成本較高。如主營(yíng)工業(yè)相機(jī)的埃科光電，主要通過(guò)國(guó)內(nèi)品牌代理商或貿(mào)易商采購(gòu)關(guān)鍵原材料，圖像傳感器、處理器等主要使用國(guó)外知名品牌如Sony(索尼)、AMS(艾邁斯)、ON(安森美)、Altera(阿特拉)、Xilinx (賽靈思)，采購(gòu)的圖像傳感器單價(jià)近3000元；根據(jù)招股書(shū)，埃科光電線掃相機(jī)的平均單價(jià)為6626.54元，面掃相機(jī)的平均單價(jià)為36695.15元，圖像采集卡的平均單價(jià)為2965.8元。表7：?？乒怆姽I(yè)相機(jī)上游零部件單價(jià)及成本占比(2022年)稱單價(jià)(元/個(gè))占采購(gòu)總金額比例.82%處理器表8：?？乒怆姰a(chǎn)品單價(jià)(2022年)單單價(jià)(元/臺(tái)或元/張)銷售收入(萬(wàn)元)銷量(臺(tái)或張)名稱業(yè)線掃描相機(jī)工業(yè)面掃描相機(jī)6,605.131,80036,695.15行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告173慣性導(dǎo)航方案3.1IMU(慣性測(cè)量單元)介紹IMU(InertialMeasurementUnit)即慣性測(cè)量單元，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角 (或角速率)及加速度的裝置。一個(gè)IMU通常包含三個(gè)軸向的陀螺和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，以測(cè)量物體在三維空間中的角速率和加速度。圖22：MEMSIMU拆解圖3.1.1陀螺儀分類及工作原理陀螺儀按照技術(shù)路徑可以分類為：1)光纖陀螺儀(FOG)；2)激光陀螺儀 (RLG)；3)MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))陀螺儀；4)半球諧振陀螺儀；5)機(jī)械陀螺儀。MEMS陀螺儀采用半導(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(dòng)控制下感應(yīng)外部待測(cè)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電容、電阻、電荷等信號(hào)變化，ASIC芯片再將上述信號(hào)變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)，最終通過(guò)封裝將芯片保護(hù)起來(lái)并將信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)外部信息獲取與交互的功能。圖23：MEMS陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖24：MEMS陀螺儀外觀本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告18光纖陀螺由光源、光探測(cè)器和一組耦合透鏡組成。光源發(fā)出的光通過(guò)分束器。然后，光波流入兩個(gè)相反的路徑，通過(guò)分束器重新連接到光探測(cè)器。根據(jù)探測(cè)器的要求，兩組光束的干涉圖樣保持不變，直到陀螺儀圍繞其敏感軸進(jìn)行外部旋轉(zhuǎn)。最后，干涉圖樣的變化幅度與角速度成正比。激光陀螺儀利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度(Sagnac效應(yīng))，基本原器件為環(huán)形激光器。激光陀螺儀與光纖陀螺儀采用的技術(shù)原理相類似，但用密封環(huán)腔來(lái)替代光纖。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè)较蚝头磿r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角圖25：光纖陀螺儀工作原理圖26：光纖陀螺儀拆解3.1.2加速度計(jì)分類及工作原理MEMS加速度計(jì)是一種能夠測(cè)量物體線加速度的器件，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律，傳感器在加速過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量計(jì)算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過(guò)加速度對(duì)時(shí)間積分得到線速度，再次通過(guò)線速度對(duì)時(shí)間積分可計(jì)算出直線位移。MEMS加速度計(jì)可以分為電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。電容式加速度被廣泛應(yīng)用于MEMS技術(shù)制造。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，一個(gè)質(zhì)量塊固定在彈性梁的中間，質(zhì)量塊的上端面是一個(gè)活動(dòng)電極，它與上固定電極組成一個(gè)電容器C1；質(zhì)量塊的下端面也是一個(gè)活動(dòng)電極，它與下固定電極組成另一個(gè)電容器C2。當(dāng)被測(cè)物的振動(dòng)導(dǎo)致與其固連的傳感器基座振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊將由于慣性而保持靜止，因此上、下固定電極與質(zhì)量塊之間將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。這使得電容C1、C2的值一個(gè)變大、另一個(gè)變小，從而形成一個(gè)與加速度大小成正比的差動(dòng)輸出信號(hào)。電容式加速度計(jì)有蹺蹺板擺式、梳齒式和三明治擺式三種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告19圖27：電容式加速度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖28：芯動(dòng)聯(lián)科MEMS加速度計(jì)3.1.3IMU按照精度的分類任何給定IMU在提供精確導(dǎo)航解決方案方面的性能是由其測(cè)量中包含的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的大小順序決定的。因此，IMU根據(jù)其性能和精度分為不同等級(jí)。然而，可以理解的是，任何給定IMU的性能、其基礎(chǔ)技術(shù)和成本之間存在高度相關(guān)性。其中，IMU分為：戰(zhàn)略級(jí)、導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和消費(fèi)級(jí)圖29：IMU等級(jí)分類及價(jià)格s行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告204慣性導(dǎo)航在自動(dòng)駕駛和人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用4.1高精度慣導(dǎo)為L(zhǎng)2.5+自動(dòng)駕駛剛需慣性導(dǎo)航是慣性技術(shù)重要應(yīng)用之一，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem-INS)是以陀螺儀和加速度計(jì)為敏感器件并融合衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等其他導(dǎo)航技術(shù)而形成的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)。目前ADAS系統(tǒng)一般運(yùn)用速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器和磁力儀等慣性傳感器。加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度大小和方向，獲取位移信息；陀螺儀形成導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)測(cè)量值投影到該坐標(biāo)系中，可輸出航向和姿態(tài)角；磁力儀用來(lái)測(cè)量測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位方向，通過(guò)地磁向量得到誤差表征量，可反饋到陀螺儀的姿態(tài)解算中，用以校準(zhǔn)陀螺儀的漂移。GNSS+IMU方案是最常用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，二者形成互補(bǔ)。GNSS在衛(wèi)星信號(hào)較弱的場(chǎng)景下會(huì)導(dǎo)致定位信息延遲而造成不可預(yù)知的失控場(chǎng)景；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率高，導(dǎo)航信息延遲低，而且系統(tǒng)穩(wěn)定不易受到外界干擾，可以不依托外在信息，無(wú)懼極端環(huán)境和弱信號(hào)影響，能夠解決持續(xù)性問(wèn)題，但長(zhǎng)期時(shí)間運(yùn)作會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)累計(jì)誤差增加，因此需要GNSS解決精準(zhǔn)性問(wèn)題，對(duì)位置信息進(jìn)行校準(zhǔn)。其算法示意圖如下：圖30：IMU+GNSS慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理高精度慣性傳感是L2.5以上自動(dòng)駕駛剛需，多傳感器融合方案正在演進(jìn)中。目前，依靠單一定位技術(shù)無(wú)法滿足自動(dòng)駕駛汽車(chē)所需要的高精度。從現(xiàn)有乘用車(chē)和商用車(chē)主機(jī)廠使用的方案看，基本使用多傳感器融合定位技術(shù)，除了采用組合導(dǎo)航和高精度地圖，還會(huì)選擇視覺(jué)SLAM激光雷達(dá)等技術(shù)。行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告21GPS地圖個(gè)GPS地圖個(gè)毫米波個(gè)毫米波表9：乘用車(chē)定位單元方案型市時(shí)間置高精定位的車(chē)款定位方案?jìng)鞲衅髋渲鸣i智尊版和鵬翼版高精度地圖(高速)12個(gè)超聲波雷達(dá)、5個(gè)毫米波雷達(dá)、13個(gè)駕駛GNSSRTKIMU攝像頭和1個(gè)車(chē)內(nèi)攝像頭460E/550E50P/600P搭載載NSSRTKIMU米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷蔚蔚來(lái)簽名版標(biāo)配，其它車(chē)款選裝(精選包1.5萬(wàn)消費(fèi)者選裝，每月支付高精度地圖+高精度定位2個(gè)前視、4個(gè)側(cè)視、1個(gè)后視、4個(gè)環(huán)視、1個(gè)華人運(yùn)通高2020/9標(biāo)配地圖+V2X理理想2021款理想2021/5一汽紅旗E-HS92020/12標(biāo)配高精度地圖26個(gè)車(chē)身傳感器(包括3個(gè)攝像頭+5個(gè)毫米波+GNSS+RTK+IMU+雷達(dá))高高精度地70智領(lǐng)版、80智尊80智享科技版選配80領(lǐng)航智駕版，90超長(zhǎng)續(xù)航版標(biāo)配80D旗艦版標(biāo)配ADiGO3.0、80DMax版標(biāo)配ADiGO4.06個(gè)毫米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷達(dá)、8個(gè)自動(dòng)駕駛高清攝像頭、4個(gè)環(huán)視攝像頭、3個(gè)第二代智能可變焦激光雷達(dá)高精度地圖GNSSRTK+IMU+5G-V2X攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)埃安埃安1埃安LX廣汽V表10：商用車(chē)定位單元方案場(chǎng)景位單元WaymoRobotaxiUDAR+HDMap+GNSS+IMUAApolloSSIMUHD滴滴IMU團(tuán)無(wú)人配送SSIMUUDARHDMap中聯(lián)重機(jī)無(wú)人農(nóng)機(jī)視覺(jué)+GNSS+角度傳感+IMU踏踏歌智行無(wú)人礦卡MGNSSIMU希迪智駕無(wú)人環(huán)衛(wèi)IMU本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告224.2人形機(jī)器人借助IMU實(shí)現(xiàn)定位、平衡及姿態(tài)檢測(cè)IMU是人形機(jī)器人保持平衡及運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵傳感器。慣性傳感器采集的角速度與加速度等慣性信息可以用于推算人形機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置與運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)可以與機(jī)器人搭載的多傳感器融合，在數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)頻率間實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，IMU與電機(jī)編碼器、相機(jī)等融合可以達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)速度和軌跡、維持平衡、避障等目的。表11：人形機(jī)器人IMU方案采用IMU方案MGXUCLAARTEMISMicroStrainMEMS3DM-CV7戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU，其性能已接近光纖陀螺儀IMU，提供航向數(shù)據(jù)，同時(shí)以來(lái)GNSSptimus在機(jī)器人模型方面，特斯拉依靠已經(jīng)用于特斯拉自動(dòng)駕駛汽車(chē)的多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于接收和處理來(lái)自lasAtlasIMU需要來(lái)自ToF相機(jī)和激光雷達(dá)等傳感模塊組成One行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告235IMU技術(shù)難點(diǎn)重在解決誤差和提高精度5.1慣性傳感器中存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差5.1.1系統(tǒng)誤差所謂系統(tǒng)誤差是指非隨機(jī)誤差，系統(tǒng)性誤差本質(zhì)就是能找到規(guī)律的誤差，所以可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)?，可以通過(guò)傳感器的校準(zhǔn)消除。陀螺儀和加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差 (scalefactor)，不重合及非正交誤差(misalignmentandnon-orthogonality)，非線性誤差(non-linearity)，溫度誤差(thermalnoise)。其中陀螺儀還包含加速度的變化引起的誤差(g-dependentnoise)。慣性傳感器中的偏差是測(cè)量值與傳感器實(shí)際輸入值之間的恒定偏移。而比例因子是一種誤差，表示慣性傳感器的輸入量與傳感器報(bào)告的輸出量之間的不匹配。通常情況下，慣性傳感器報(bào)告的輸出值應(yīng)等同于傳感器的輸入值。因此，預(yù)期的輸入輸出比應(yīng)等于1。然而，比例因子將表現(xiàn)為慣性傳感器的輸入輸出關(guān)系偏離等于1。系統(tǒng)誤差的另一種形式是比例因子非線性誤差。通常情況下，傳感器的輸入輸出關(guān)系是線性關(guān)系。然而，由于環(huán)境影響和某些傳感器的設(shè)計(jì)，慣性傳感器的輸入輸出關(guān)系可能不是線性關(guān)5.1.2隨機(jī)誤差慣性傳感器中，隨機(jī)誤差一般指噪聲，無(wú)法找到合適的關(guān)系函數(shù)去描述噪聲，所以很難處理，主要包含隨機(jī)行走誤差和零偏不穩(wěn)定性誤差，其中隨機(jī)行走誤差可以理解為傳感器的高斯白噪聲，零偏不穩(wěn)定性誤差表現(xiàn)為傳感器的零偏會(huì)隨時(shí)間逐漸變化。圖31：確定性與隨機(jī)性誤差的來(lái)源圖32：三種典型的誤差源行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告245.2光纖陀螺儀技術(shù)難點(diǎn)導(dǎo)致光纖陀螺儀誤差增大、精度下降的主要難點(diǎn)為：1)靈敏度消失：當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率接近零時(shí)，靈敏度會(huì)消失。這是由于檢測(cè)器中的光密度正比于薩格納克Sagnac相移的余弦量所引起。2)噪聲：光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的。為了達(dá)到低噪聲，應(yīng)采用小相干長(zhǎng)度的光源。3)光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定：如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會(huì)產(chǎn)生漂移。造成光路長(zhǎng)度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態(tài)，此兩種偏振態(tài)光波一般以不同速度傳播。由于環(huán)境影響，使兩正交偏振態(tài)隨機(jī)變化。5.3MEMS陀螺儀與IMU技術(shù)難點(diǎn)5.3.1MEMS陀螺儀主要誤差來(lái)源MEMSIMU的誤差一是來(lái)源于慣性傳感器自身的誤差，二是IMU在集成過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，兩種誤差的具體分類及各誤差因素解釋如下。MEMSIMU的總誤差中，安裝誤差和溫度是MEMS微慣性組合的主要誤差源，這兩種因素所引起的誤差通常占系統(tǒng)總誤差的90%以上，同時(shí)由于硅基MEMS慣性器件的加工工藝特殊性，MEMS體硅制造工藝也會(huì)導(dǎo)致輸出誤差，下面將從MEMS體硅制造工藝產(chǎn)生的誤差、溫度誤差和安裝誤差三個(gè)方面進(jìn)行圖33：MEMS-IMU誤差分類行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告25表12：MEMSIMU誤差類型誤差類型誤差類型差產(chǎn)生原因零偏MEMS器零偏參數(shù)誤差主要包含零偏，零偏穩(wěn)定性與重復(fù)性導(dǎo)致的誤差。其中零偏和零偏重復(fù)性導(dǎo)致的誤差可以在初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行消除。零偏穩(wěn)定性反映了傳感器在一定輸入的條件下，其輸出隨時(shí)間的漂移程零偏刻刻度因數(shù)由于MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺通過(guò)刻度因數(shù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此刻度因數(shù)的誤差將直接帶來(lái)測(cè)量的系非線性誤差和溫度漂移兩類。非敏感軸互耦誤差敏感軸互耦誤差指的是傳感器非敏感軸上有輸入時(shí)產(chǎn)生的誤差輸出。產(chǎn)生非敏感軸互耦誤差的原因多是由于傳感器本身結(jié)構(gòu)的存在一定的非正交性或者說(shuō)有一定的非垂直度。加速加速度靈敏度微陀螺的敏感加速度的輸出，這是一個(gè)誤差項(xiàng)。由于微陀螺多是基于機(jī)械振動(dòng)的陀螺，因此可能會(huì)受到加速度是在某些具有較大加速度的應(yīng)用條件時(shí)。啟動(dòng)漂移MEMS感器在啟動(dòng)后輸出隨時(shí)間發(fā)生的漂移，表征為輸出不穩(wěn)定，漂移時(shí)間從半小時(shí)到數(shù)個(gè)小時(shí)不等，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)由于漂移，使得傳感器的零偏穩(wěn)定性參數(shù)變差，產(chǎn)生額外的誤差，需要較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱準(zhǔn)備過(guò)啟動(dòng)漂移熱噪聲對(duì)微傳感器性能影響較大，是主要的研究對(duì)象機(jī)械熱噪聲的根源是周?chē)鷼怏w或液體分子對(duì)機(jī)械顆粒的隨機(jī)碰撞即布郎力作用。這種作用對(duì)宏觀結(jié)構(gòu)的影響是可以忽略的，但是對(duì)于微米甚至納米量級(jí)的MEMS系統(tǒng)則不可忽略，該噪聲直接影響了MEMS器件的靈敏度電路熱噪聲的來(lái)源是在絕對(duì)溫度為零度以上的導(dǎo)體中的載流子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)疊5.3.2MEMS體硅工藝的難點(diǎn)和誤差目前MEMS體硅工藝中主要的腐蝕與刻蝕技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)Bosch工藝的干法刻蝕(DRIE)與基于濃硼硅腐蝕自停止的結(jié)構(gòu)釋放與硅片減薄工藝。下表整理了MEMS工藝過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)尺寸誤差，微結(jié)構(gòu)尺寸誤差會(huì)導(dǎo)致梁寬存在不一致性，并導(dǎo)致梳齒電容誤差，進(jìn)而導(dǎo)致IMU輸出誤差。行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告26當(dāng)使用堿性溶液進(jìn)行濃硼硅的自停止腐蝕時(shí)，由于不同濃當(dāng)使用堿性溶液進(jìn)行濃硼硅的自停止腐蝕時(shí)，由于不同濃雖然可以較快地腐蝕硅層，釋放結(jié)構(gòu)，但是也會(huì)使得濃硼硅結(jié)構(gòu)層也受到較大的腐蝕，使梳齒變尖。通過(guò)采用不同KOH，又減小濃硼硅結(jié)構(gòu)層的腐蝕。但是不管是怎樣的方法，都會(huì)對(duì)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的腐蝕，造成尺寸的損失與尺寸差異的隨機(jī)性增加。表13：體硅MEMS制造工藝中產(chǎn)生的誤差誤差類型誤差類型差產(chǎn)生原因意圖使用標(biāo)準(zhǔn)Bosch使用標(biāo)準(zhǔn)Bosch工藝存在的問(wèn)題是在刻蝕相同深度，不同寬度的槽時(shí)，寬度越大的槽，進(jìn)入槽內(nèi)的離子通量也就越大，這樣使得刻蝕的速度越快，造成在設(shè)計(jì)版圖上越寬的槽刻出來(lái)后的寬度就比版圖上的越寬，造成梁寬度的減就是ARDE(AspectRatioDependentEtch)來(lái)來(lái)自腐蝕的誤差蝕步驟之間掩膜板可能存在一蝕步驟之間掩膜板可能存在一定的失準(zhǔn)誤差，使得多次刻蝕出來(lái)的微結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生變化，當(dāng)主要5.3.3溫度變化引發(fā)的誤差溫度會(huì)影響材料的屬性，材料屬性影響結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)，使微陀螺儀和微加速度計(jì)輸出發(fā)生漂移。溫度對(duì)材料屬性的影響主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:1)溫度會(huì)影響硅材料的楊氏模量，而由于結(jié)構(gòu)剛度正比于材料的楊氏模量，因此溫度會(huì)直接影響微結(jié)構(gòu)的剛度；2)溫度變化會(huì)影響微結(jié)構(gòu)的尺寸，這主要是由于硅材料的熱膨脹。結(jié)構(gòu)尺寸的變化將會(huì)影響檢測(cè)電容面積和間距，造成檢測(cè)電容的變化，從而造成檢測(cè)電容差的變化；3)溫度會(huì)影響介質(zhì)的介電常數(shù)，介電常數(shù)主要影響極板之間的電容，使得電容差發(fā)生變化，產(chǎn)生漂移；4)溫度還會(huì)影響驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路的電參數(shù)，由于驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路也是硅基的芯片，同樣會(huì)受到溫度的影5.3.4MEMS集成誤差MEMS-IMU的集成誤差主要包括的是傳感器安裝誤差，桿臂效應(yīng)誤差兩種，傳感器安裝誤差主要是由MEMS-IMU殼體的非正交性和傳感器的安裝誤差以及傳感器自身的非正交誤差所組成。由于慣性傳感器在IMU幾何組件中安裝不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生不重合及非正交誤差。交叉耦合是由慣性傳感器敏感軸的非正交性引起的。因此，慣性傳感器(加速度行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告27計(jì)或陀螺儀)測(cè)量來(lái)自另一個(gè)軸的殘余慣性測(cè)量值，而該軸應(yīng)該與其敏感軸正交。例如，從InvenSense的MPU-9250芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看到該加速度計(jì)(X、Y、Z軸)和陀螺儀分開(kāi)制造，因此加速度計(jì)和陀螺儀的坐標(biāo)軸中心并不嚴(yán)格重合，甚至加速度計(jì)不同軸也是分開(kāi)加工，坐標(biāo)軸也不能保證完全正交。而且，加工過(guò)程或多或少有誤差，如對(duì)稱度不好，產(chǎn)生零偏誤差。圖34：非正交性誤差示意圖圖35：非正交誤差原理MEMS-IMU的桿臂效應(yīng)是一項(xiàng)系統(tǒng)誤差，它的產(chǎn)生原因是MEMS-IMU的傳感器是分立安裝的，因此載體在繞某軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器將會(huì)受到附加的離心加速度和切向加速度，進(jìn)而會(huì)引起加速度計(jì)和陀螺儀的輸出誤差，誤差正比與旋轉(zhuǎn)角速率。在對(duì)陀螺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)標(biāo)定時(shí)，觀察到了典型的桿臂效應(yīng)如下圖2.10，其中轉(zhuǎn)軸為y軸。圖36：桿臂效應(yīng)誤差圖行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告285.4誤差補(bǔ)償?shù)耐窘?jīng)：算法與校準(zhǔn)5.4.1提高M(jìn)EMSIMU精度有兩種途徑1)采用新材料、新工藝、新技術(shù)和新方法；2)通過(guò)建立合理的微慣性組合誤差模型，采用軟件算法修正來(lái)提高微型慣性傳感器的精度，實(shí)驗(yàn)研究表明，一種好的誤差模型及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法可使微型慣性傳感器的精度提高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。在補(bǔ)償慣性器件或誤差時(shí)需要建立起其誤差模型和進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)然后實(shí)施補(bǔ)償，一般來(lái)說(shuō)誤差模型可以分為靜態(tài)誤差模型、動(dòng)態(tài)誤差模型和隨機(jī)誤差模型。對(duì)于靜態(tài)誤差模型和動(dòng)態(tài)誤差模型一般認(rèn)為是與載體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等有關(guān)的確定性誤差項(xiàng)可通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定并補(bǔ)償。對(duì)于隨機(jī)漂移誤差模型只能采用合理的模型辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)方法。算法優(yōu)化存在難度，需要年為單位的積累，系統(tǒng)算法可以不斷優(yōu)化，形成模塊化的信息，稱為軟件定義硬件，同時(shí)需要一定維護(hù)和技術(shù)服務(wù)。圖37：使用算法進(jìn)行迭代優(yōu)化慣性傳感器的隨機(jī)誤差作為隨機(jī)過(guò)程被納入導(dǎo)航濾波器，準(zhǔn)確確定用于描述慣性傳感器誤差的隨機(jī)過(guò)程參數(shù)至關(guān)重要。否則，估計(jì)算法將產(chǎn)生不準(zhǔn)確的導(dǎo)航解決方案，而且隨著時(shí)間的推移，其準(zhǔn)確性會(huì)越來(lái)越低。有幾種方差技術(shù)可用于慣性傳感器誤差的隨機(jī)建模，其中最簡(jiǎn)單且普遍的技術(shù)是Allan方差法。Allan方差法利用均方根(RMS)隨機(jī)漂移誤差作為平均時(shí)間的函數(shù)。通過(guò)計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的Allan偏差，可以獲得一條特性曲線，通常以對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)標(biāo)度表示，顯示平均時(shí)間與Allan偏差值的關(guān)系。通過(guò)進(jìn)一步檢查特征曲線，可以發(fā)現(xiàn)所獲慣性傳感器數(shù)據(jù)中的主要誤差成分。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告29Allan方差法可用于識(shí)別慣性傳感器讀出信號(hào)中可能出現(xiàn)的基本隨機(jī)誤差。此外，Allan方差法還能對(duì)隨機(jī)誤差成分進(jìn)行分類。具體來(lái)說(shuō)，Allan方差法可以描述慣性傳感器測(cè)量中出現(xiàn)的五種隨機(jī)誤差項(xiàng)，分別是：量化噪聲、角度隨機(jī)游走、零偏不穩(wěn)定性噪聲，角速率隨機(jī)游走，速率斜坡。然而，一旦計(jì)算出不同誤差項(xiàng)的Allan方差，獲得的Allan方差就可以通過(guò)不同的模型來(lái)計(jì)算參數(shù)，從而更好地表示可納入導(dǎo)航濾波器的隨機(jī)過(guò)程。此外，Allan方差還提供了關(guān)于各種誤差項(xiàng)的類型和大小的信息。Allan方差法已被用于識(shí)別和描述不同等級(jí)慣性傳感器中的隨機(jī)誤差分量。Allan方差法的主要缺點(diǎn)是在對(duì)基于MEMS的小型低成本IMU的隨機(jī)誤差進(jìn)行建模時(shí)在統(tǒng)計(jì)上不一致。圖38：艾倫方差圖對(duì)應(yīng)的誤差行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告306IMU市場(chǎng)空間根據(jù)Yole發(fā)布的statusofMEMSindustry2022，2021年，全球MEMS慣性傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)35.09億美元，其中MEMS慣性傳感組合所占規(guī)模過(guò)半，并保持上漲趨勢(shì)，MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)市場(chǎng)規(guī)模占總市場(chǎng)規(guī)模的45.50%。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全球MEMS慣性傳感器市場(chǎng)規(guī)模仍將保持一定增速，并在2024年達(dá)到40億美元左右。圖39：全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)(單位：億美元)IMU廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛和機(jī)器人領(lǐng)域。DroneIndustryInsight數(shù)據(jù)顯示，2020年全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為209億美元，并將在六年內(nèi)達(dá)到413億美元，預(yù)計(jì)2020-2026年復(fù)合增長(zhǎng)率為12.02%。根據(jù)iimedia估計(jì)，2021-2025年全球無(wú)人駕駛汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為46.78%，增長(zhǎng)速度迅速拉升，市場(chǎng)規(guī)模將在2025年實(shí)現(xiàn)1200億美元的突破。而由于目前中國(guó)慣導(dǎo)技術(shù)與國(guó)際領(lǐng)先水平仍然存在差距，高端陀螺儀需求高度依賴進(jìn)口，僅有極少數(shù)國(guó)內(nèi)公司具備成本和全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)。2021年國(guó)內(nèi)MEMS市場(chǎng)前30大廠商中僅有歌爾股份有限公司、瑞聲科技控股有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司四家為本土廠商，發(fā)達(dá)國(guó)家廠商在MEMS芯片設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)品性能上仍然具有顯著優(yōu)勢(shì)。中低端陀螺儀則已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。表14：國(guó)內(nèi)慣導(dǎo)相關(guān)公司稱領(lǐng)域發(fā)展情況/主要產(chǎn)品份手機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品等創(chuàng)微納技術(shù)開(kāi)發(fā)非制冷紅外熱成像MEMS芯片等星網(wǎng)宇達(dá)信息感知、衛(wèi)星通信及無(wú)人系統(tǒng)信息感知、衛(wèi)星通信及無(wú)人系統(tǒng)導(dǎo)航導(dǎo)航慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其核心部件深圳導(dǎo)遠(yuǎn)科技慣性導(dǎo)航和光電技術(shù)開(kāi)發(fā)為主流主機(jī)廠多款車(chē)型定點(diǎn)配套供貨能科技統(tǒng)、汽車(chē)自動(dòng)駕駛測(cè)試?yán)士萍紵o(wú)人車(chē)等進(jìn)行合作行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告31表15：海外慣導(dǎo)龍頭公司頭公司相關(guān)領(lǐng)域HoneywellHoneywellMEMS級(jí)水平，石英加速度計(jì)是該產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)品。目前HoneywellHoneywellADIADI主要產(chǎn)品為MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)，技術(shù)水平領(lǐng)先，產(chǎn)品耐環(huán)境能力強(qiáng)，性能覆蓋工業(yè)級(jí)ADISiliconSensingSiliconSensingMEMS術(shù)SensonorSensonorSensonor主要產(chǎn)品為三軸陀螺儀模塊和IMU。產(chǎn)品主要以戰(zhàn)術(shù)級(jí)為主。行業(yè)專題研究/機(jī)械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告327風(fēng)險(xiǎn)提示1)人形機(jī)器人需求不及預(yù)期。人形機(jī)器人的終端需求場(chǎng)景沒(méi)有找到合適的切入點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致人形機(jī)器人始終停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法量產(chǎn)，影響上游零部件的市場(chǎng)空間。2)量產(chǎn)技術(shù)路線中對(duì)傳感器精度需求較低導(dǎo)致單價(jià)波動(dòng)。傳感器根據(jù)所需精度的不同，價(jià)格會(huì)有大幅差異，價(jià)格差異主要來(lái)自于精度的范圍以及所需的工藝路徑。當(dāng)前人形機(jī)器人整機(jī)方案尚未定型，其次傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是作為對(duì)算法的補(bǔ)充，而人形機(jī)器人的算法迭代仍處于初期，因此最終量產(chǎn)技術(shù)中對(duì)傳感器的精度、工藝路徑的需求可能出現(xiàn)較大變化，導(dǎo)致實(shí)際單價(jià)出現(xiàn)波動(dòng)。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)