（报告出品方/分析师：华安机械张帆）

1.IMU位置和姿态控制核心

1.1什么是IMU

?惯性测量单元(Inertialmeasurementunit，简称IMU)，是测量物体三轴姿态角及加速度的装置。一般IMU包括三轴陀螺仪及三轴加速度计，部分IMU还包括三轴磁力计。IMU在小至手机、VR，大至航空、航天领域都得到了广泛的应用。

?IMU通常包含陀螺仪(Gyroscope)、加速度计(Accelermeters)，有的还包含磁力计(Magnetometers)和气压计。

?加速计是一个测量特定力的传感器（身体质量使力正常化）。它提供在其本地框架内跨越x、y、z轴的加速度。

?陀螺仪是一个传感器，它测量在其本地框架内围绕x、y和z轴的角速度。一般来说，对测量结果进行整合，得出角度本身。

?磁强计是一个测量地球磁场并提供航向的传感器（罗盘就是这样一个设备）。如果它包括在IMU中，我们通常将其描述为"9轴IMU"。

?气压计是一个测量气压的传感器，可以提供海拔高度。

1.2IMU的基本原理

?MEMS加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一，它的工作原理就是靠MEMS中可移动部分的惯性。

?由于中间电容板的质量很大，而且它是一种悬臂构造，当速度变化或者加速度达到足够大时，它所受到的惯性力超过固定或者支撑它的力，这时候它会移动，它跟上下电容板之间的距离就会变化，上下电容就会因此变化。电容的变化跟加速度成正比。

?下图为MEMS陀螺仪角速度计（MEMSgyroscope），其工作原理是利用角动量守恒原理及科里奥效应测量运动物体的角速率。它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。

?与加速度计工作原理相似，陀螺仪的上层活动金属与下层金属形成电容。当陀螺仪转动时，他与下面电容板之间的距离机会发生变化，上下电容也就会因此而改变。电容的变化跟角速度成正比，由此我们可以测量当前的角速度。

1.3IMU分级

?根据不同的使用场景，对IMU的精度有不同的要求。

精度高，也意味着成本高：

?普通的消费级电子产品所使用到的IMU都是低精度且十分廉价的IMU，这种IMU普遍应用于手机、运动手表中。常用于记录行走的步数。

?而无人驾驶所使用到的IMU，价格从几百块到几万块不等，取决于此无人驾驶汽车对定位精度的要求。

?精度更高的IMU会用于导弹或航天飞机。就以导弹为例，从导弹发射到击中目标，宇航级的IMU可以达到极高精度的推算，误差甚至可以小于一米。

1.4IMU测量误差

?由于制作工艺的原因，惯性传感器测量的数据通常都会有一定误差。

?第一种误差是偏移误差，也就是陀螺仪和加速度计即使在没有旋转或加速的情况下也会有非零的数据输出。要想得到位移数据，我们需要对加速度计的输出进行两次积分。在两次积分后，即使很小的偏移误差会被放大，随着时间推进，位移误差会不断积累，最终导致我们没法再跟踪物体的位置。

?第二种误差是比例误差，所测量的输出和被检测输入的变化之间的比率。与偏移误差相似，在两次积分后，随着时间推进，其造成的位移误差也会不断积累。

?第三种误差是背景白噪声，如果不给予纠正，也会导致我们没法再跟踪物体的位置。

1.5民用MEMSIMU市场空间测算方法论

价格：IMU价格随着竞争对手的增加，我们预测呈现下降趋势（元/个-元/个-元/个）。

数量：自动驾驶，L3及以上的渗透率我们预测到年达到10%-20%，单车需要一个IMU；人形机器人，早期胸腔放置一颗IMU，达到自由行动以及灵活姿态我们预测单机需要放置3-4个IMU。

2.MEMSIMU在自动驾驶领域放量在即

2.1自动驾驶中的传感器

随着科技的不断发展，自动驾驶技术日趋成熟。为了实现自动驾驶汽车的各种复杂功能，精确而又可靠的位置信息开始变得不可或缺，高精度MEMSIMU作用日益凸显：

?拥挤的城市峡谷环境给自动驾驶汽车传感器阵列带来了巨大的挑战。当自动驾驶汽车在失去GPS/GNSS信号的情况下试图左转时，IMU技术开始凸显它的重要作用。

?感知传感器作为自动驾驶主动决策的主要信息来源，可以感知车辆周围的世界。

?导航系统由GNSS/GPS接收机和INS（惯性导航系统）组成，惯导系统包括惯性运动传感器和来自里程计和转向传感器的输入。

?长期以来，基于MEMS的惯性传感器（如陀螺仪和加速度计）已作为分立元件应用于车辆的碰撞检测、安全气囊弹出和电子稳定性控制。

2.2自动驾驶中的惯性导航

?从结构上看，IMU主导的惯性导航分为平台式和捷联式。按照市场发展趋势，惯性测量传感器正在不断向轻量化方向发展，捷联式逐渐成为主流。

?平台式惯性导航系统采用物理平台模拟导航坐标系统，加速度计安装在由于陀螺仪控制的稳定平台上，输出的信息由导航计算机计算航行器位置、速度等导航信息及陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。而航行器的姿态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。

?捷联式惯性导航采用数学算法确定导航坐标系，即加速度计和陀螺仪直接安装在运载体上，得到信息量之后通过数学平台确定运载体的速度、位置以及姿态等航向信息

2.2自动驾驶中IMU的优势

?与其他导航系统相比，IMU主导的惯导系统具有信息全面，完全自主、高度隐蔽、信息实时与连续，且不受时间、地域的限制和人为因素干扰等重要特性，在城市峡谷或森林道路中，IMU不会受到多路径效应或信号衰减的影响。

?在自动驾驶系统中，IMU数据与GNSS、视觉和其他探测和测距系统融合，以填补GNSS更新之间的空隙，并在GNSS和/或其他传感器受到影响时安全进行短时导航。IMU数据始终可用，是任何自主车辆系统的一个组成部分，并可用于在具挑战性的环境中维持车辆安全运行。

?自动驾驶汽车驶入高楼林立的区域，失去了卫星信号，无法由GPS提供绝对定位，此时，IMU可以发挥其延续绝对定位的作用，在没有GPS信号的区域为汽车提供绝对定位信息，这些信息包括汽车的实时经纬度和海拔高度。

?自动驾驶汽车通过车道线识别功能确保自身在道路中行驶，在遇到强烈太阳光照射的情况下，车道线识别功能失效。此时，IMU可以发挥其延续相对定位的作用，根据历史记录中的道路曲率与汽车相对于车道边界的历史位置，确保汽车在一段时间内继续行驶在车道中。

IMU是自动驾驶系统在定位领域的最后一道防线:

?第一，IMU对相对和绝对位置的推演没有任何外部依赖，是一个类似于黑匣子的完备系统；相比而言，基于GPS的绝对定位依赖于卫星信号的覆盖效果，基于高精地图的绝对定位依赖于感知的质量和算法的性能，而感知的质量与天气有关，都有一定的不确定性。

?第二，同样是由于IMU不需要任何外部信号，它可以被安装在汽车底盘等不外露的区域，可以对抗外来的电子或机械攻击；相比而言，视觉、激光和毫米波在提供相对或绝对定位时必须接收来自汽车外部的电磁波或光波信号，这样就很容易被来自攻击者的电磁波或强光信号干扰而致盲，也容易被石子、刮蹭等意外情况损坏。

?第三，IMU对角速度和加速度的测量值之间本就具有一定的冗余性，再加上轮速计和方向盘转角等冗余信息，使其输出结果的置信度远高于其它传感器提供的绝对或相对定位结果。

2.3自动驾驶中的GNSS+RTK+IMU组合导航

?当乘用车达到L3及以上自动驾驶水平，车辆必将拥有能够精准定位的装置。目前乘用车的定位精度普遍未能达到自动驾驶的要求。乘用车高精度定位应用属于从0到1的环节，随着自动驾驶级别的演进，其重要性将日益增强。

?目前行业内对自动驾驶车端的工作模块主要分为三类：感知层，决策层和控制层。感知层依赖于卫星定位、惯性定位、环境感知等定位技术，来感知外界、自己车辆状态，是自动驾驶的前置条件。

?卫星定位、惯性定位、环境感知定位三种定位方式由于实现的方式不同，在不同能力范围内各有优劣，单独的定位方式方案难以满足自动驾驶对高精定位的需求。

?目前行业内共识的组合方案是由GNSS单元、RTK定位确定绝对位置，IMU确定相对位置，同时，高精地图与激光雷达，摄像头等感知设备用于环境感知。

?车辆从GNSS+RTK+IMU定位组合中获得车辆位置的预测值，从高精地图中获取位置附近的环境特征，之后将扫描识别的环境特征与高精地图记述的环境特征做匹配融合，获取车辆当下精准的位置信息。各工作单元之间信息相互耦合，结果相互冗余，从而保障了定位的精度和可靠性。

?通过激光雷达、视觉等传感器实现的环境特征定位与高精地图结合的定位方案也能实现高精定位，但是视觉、激光雷达等传感器的器件成本，以及对边缘计算的要求高，卫惯组合导航几乎可以通过十分之一的价格实现相同的效果。

所以目前卫惯组合导航还是最主流的高精定位方案。

3.MEMSIMU卡位人形机器人

3.1IMU在早期四足机器人导航中的应用

?四足机器人属于腿式机器人的一种，可以自主行走，对恶劣复杂地形的适应性强，已经成为当今移动机器人研究的热点。四足机器人的应用非常广泛，特种领域方面，四足机器人可以进入人类无法进入的危险场域；陪护领域方面，四足机器人可以实现人际交流；军事领域方面，四足机器人可以实现高运动性能的作战移动平台。

?作为自主导航机器人，机器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。四足机器人从IMU、激光雷达等传感器获取信息，通过相关算法，实现即时定位与地图构建。

3.2IMU在人形机器人导航中的应用

?早期机器人通常在躯干位置放置IMU，随着惯导系统在人形机器人中的应用逐渐成熟，头部也将放置IMU，和立体视觉相机等组合进行定位及导航。

3.3顶尖机器人应用IMU

?ICM--P是TDK针对机器人运动追踪应用推出的高性能6轴IMU。TDK惯性传感器系列由加速度传感器、陀螺仪传感器复合化的IMU构成，旗下的机器人IMU在日本机器人行业中有很高的知名度。

?这款6轴MEMS运动传感器，在性能上是绝对的行业领先。它的噪声、灵敏度以及随时间和温度变化的偏置稳定性都处于很高的行业水平。它的噪声、灵敏度以及随时间和温度变化的偏置稳定性都处于很高的行业水平。其中的陀螺仪，最关键的灵敏度误差，依然是±0.5%这个绝对领先的数值。

在零速率偏移量上，可以做到±0.5dps这种车载水平。而在机器人应用中绝对重要的噪声密度，为0.dps/√Hz，低密度的噪声让机器人更容易获取自己的位置信息。加速度计同样是±0.5%的灵敏度误差以及车载水平的±40mg零加速度偏移量。噪声密度为75dps/√Hz。该IMU配合TDK旗下的RoboVac可以进一步提高应用程序性能的独特功能，如与RTC同步的样本，20位的ADC，32kHz的ODR。

?这个系列还有一个更直接的优势，功耗低。在低噪声模式下的A+G为μA；在低功率模式下的A小于50μA。对于移动机器人这类中小型机器人，低功耗器件往往是厂商的第一选择。

?ST在IMU内整合了补充类型的传感器，提供了比分立式MEMS产品更小巧、稳定且易于组装的惯性模块。整合的器件包括加速计，陀螺仪以及磁力计。

ISMDHCX的传感元件采用专门的MEMS工艺制造，IC接口则采用CMOS技术开发，与传感元件有很好的匹配度。

在ISMDHCX中不同于其他设计的是加速度计和陀螺仪的传感元件在同一个硅芯片上，这种设计最直接的效果就是提升了器件的稳定性和鲁棒性。

?虽然该模块是泛工业应用器件，不是专门针对机器人应用推出的，但是它在整体设计有无可争议的优异性能，以及完善的配套可以完美契合移动机器人应用。

3.4IMU在人形机器人中的应用

?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。

3.5人形机器人IMU方案

?MEMS惯性传感器指采用MEMS工艺制备的惯性传感器，与传统工艺制造的惯性传感器相比，MEMS器件具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和智能化等特点，被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车、船舶、消费电子、医疗等领域。高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS惯性测量单元（IMU），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。

4.MEMSIMU市场空间广阔

4.1自动驾驶领域市场情况

?目前来看，我国量产乘用车自动驾驶等级正在由L2向L3过度。未来市场发展空间广阔。在全新的自动化驾驶架构下，汽车智能化的渗透率不断提升，传统汽车行业正面临着变革与转型，行业迎来新的发展机遇。

?根据中汽协预测，年中国汽车销量或将达到0万辆。

?我们预测，年我国L3级以上（包含L3）自动驾驶的渗透率保守估计为10%，乐观估计为20%。

4.2人形机器人领域市场情况

?在中国市场上，人形机器人市场规模较小，但增长速度非常快。恒州诚思报告显示，年中国人形机器人市场规模大约为9.6亿美元，预计到年将达到30亿美元，折合人民币亿，复合年增长率高达19.7%。

?根据年5月GGII发布的报告预测，到年全球市场规模有望突破亿美元。参考中国服务机器人市场约占全球市场25%的数值测算，年中国人形机器人市场规模将达50亿美元，折合人民币亿。

?人形机器人市场在全球范围内处于高速发展阶段，未来市场增长潜力巨大。虽然中国市场规模相对较小，但增长速度非常快，未来有望成为全球人形机器人市场的主要增长之一。

4.3IMU市场空间测算

?我们预计年人形机器人IMU应用发展成熟，每台机器人需要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。

?保守估计下年自动驾驶L3及以上渗透率为10%，人形机器人出货量为50万台；乐观估计下年自动驾驶L3及以上渗透率为20%，人形机器人出货量为万台。

?IMU初期价格较高，未来随竞争对手增多，我们预计未来有望降到单价的价值量，在预测中分别按照单颗IMU元、元、元测算。

4.4IMU产业链

IMU中的MEMS陀螺仪按照零偏稳定性的指标划为消费级（15°/h）、战术级（0.15-15°/h）、导航级（0.01-0.15°/h）、战略级（0.01°/h）。

目前国内在消费级完全自主可控，战术级达到1°/h以内的精度之后完全依赖于海外进口，国产替代自主可控成为关键；目前主要的应用场景为自动驾驶L3级以及以上的水平、人形机器人所需要的IMU芯片精度需要达到1°/h以内。

?IMU上游芯片：海外厂商主要包括霍尼韦尔、TDK、ST、SiliconSensing等；国内，芯动联科目前唯一能够生产高精度MEMS传感器的国内厂商，此外正在布局自动驾驶L3级以及以上所需的IMU芯片的厂商还包括上海矽睿科技、深圳深迪半导体。

?IMU模组：直接生产IMU模组的厂商，海外主要包括TDK、ST、霍尼韦尔等；国内包括芯动联科、苏州固锝。

?IMU下游惯导：海外厂商主要包括U-Blox、霍尼韦尔、ADI、诺斯罗普格鲁曼（NorthropGrumman）；国内包括中海达、华测导航、华依科技、星网宇达、理工导航。

5.行业公司6.风险提示

1.研发进度不及预期；

2.宏观经济景气度不及预期；

3.测算市场空间的误差风险；

4.研究依据的信息更新不及时，未能充分反映公司最新状况的风险。

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