IMU行业深度研究报告：新兴市场打开成长空间，国内企业或迎来机遇期

IMU是惯性定位技术的核心设备，通常包括三个轴向的陀螺和加速度计。IMU（Inertial Measurement Unit），即惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置。一个IMU通常包含三个轴向的陀螺仪和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。IMU主要用于自主测量和反馈物体运动速度和角度的变化，并与卫星等其他导航模块形成惯性导航系统、组合惯性系统等，经集成在相关设备中发挥惯性导航、惯性测量和惯性稳控的作用。三轴加速度传感器是一种基于加速度的基本原理实现的惯性传感器，能够测量物体的比力和角度。陀螺仪用于测量单元中的角速度及对角速度积分后角度的计算，是惯性导航系统的核心敏感器件，其测量精度直接影响惯导系统的姿态解算的准确性。 IMU市场逐步拓展，海外企业技术领先。根据Yole Intelligence数据，2021年全球IMU市场空间约为18.3亿美元，IMU行业2022-2027年年均复合增长率将达到7.03%，到2027年，全球IMU市场规模将达到27.92亿美元左右。消费电子、汽车电子、工业控制为MEMS的主要应用领域，预计2018年至2027年期间消费电子、汽车电子、工业控制的市场占MEMS总市场规模的比例一直在80%以上，其中消费电子占比最高，占比一直保持在50%以上。MEMS加速度计、磁力计和IMU的市场持续增长，MEMS陀螺仪的市场呈现逐年萎缩态势，主要原因系独立的MEMS陀螺仪在高端消费电子和汽车电子市场中逐渐被IMU所替代。从全球竞争格局的角度看，目前全球MEMS行业呈现垄断竞争格局 ， 市场份额集中在Honeywell、ADI、Northrop Grumman/Litef等海外行业巨头手中。 人形机器人与无人驾驶打开成长空间，国内企业或迎来发展良机。我们假设单台人形机器人所需IMU成本为5000元，如果人形机器人销量为100万台，对应市场规模可达到50亿元。无人驾驶车辆一般会使用组合导航，会使用GPS(全球定位系统)和IMU（惯性传感器）两个核心装置。随着高端汽车制造商在未来10年内向L5级自动驾驶迈进，IMU有望在汽车行业快速放量。国内IMU制造商包括明皜传感（苏州固锝）、芯动联科、华依科技、矽睿科技、深迪半导体、士兰微、美泰科技、星网宇达、理工导航等。随着人形机器人和无人驾驶等新兴市场在中国的快速发展，国内IMU企业有望享受行业发展红利。 投资建议：IMU是人形机器人实现双足行走的重要部件之一，同时也是无人驾驶定位系统的重要组成部分，高性能IMU产品将具有较好的发展前景。 建议关注国内具备高性能IMU设计、制造能力的公司，重点公司包括苏州固锝（明皜传感母公司）、芯动联科、敏芯股份、华依科技等。 风险提示：特斯拉人形机器人量产进展不及预期，国内企业技术发展不及预期，国际环境发生重大变化。 表1：重点公司投资评级: 1IMU是惯性定位技术的核心设备，通常包括三个轴向的陀螺和加速度计 1.1IMU是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置 IMU（Inertial Measurement Unit），即惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置。一个IMU通常包含三个轴向的陀螺仪和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度，包含磁力计的IMU还可以通过测量与地区磁场的夹角来确定当前的朝向，弥补加速度计在水平面上的测量缺失问题。IMU是惯性定位技术的核心设备，经过误差补偿和惯性导航解算，最终输出载体相对初始位置的坐标变化量、速度等导航信息。 图1.IMU传感器 图2.IMU细分类型 陀螺仪传感器测量角度位置变化，通常以每秒度数来衡量，随时间进行角速度积分可测得行程角度，用于追踪方向变化，加速度计测量线性加速度，包括设备运动的加速度和重力加速度。陀螺仪因为没有固定参照系，随着时间推移会产生漂移，引入加速度计可以减少陀螺仪的偏置，提高定位精度。加速度计比较适合静态测量，并且加速度计由于反应迅速通常会有受到噪音、抖动的影响，导致其测量数据失真，因此会对数据进行滤波来提高精度。 IMU主要用于自主测量和反馈物体运动速度和角度的变化，并与卫星等其他导航模块形成惯性导航系统、组合惯性系统等，经集成在相关设备中发挥惯性导航、惯性测量和惯性稳控的作用。早期的IMU主要用于给导弹、潜艇、船舶等做惯性导航，在导航应用中，可以通过科尔曼滤波融合陀螺仪角速度积分与加速度计重力矢量结算达到的位置来估算高精度姿态。目前IMU的应用更加广泛，在消费领域（智能手机、运动设备、游戏手柄等）、医疗、汽车、工业均有应用。 （1）惯性导航 惯性导航系统的核心器件是陀螺仪和加速度计。通常情况下，每套惯性系统包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，分别测量三个自由度的角速率和线加速度；通过对角速率和线加速度按时间积分以及叠加运算，可以动态确定自身位置变化，从而确定自身移动轨迹以实现导航功能。除独立使用外，惯性导航还可以与卫星导航结合使用，形成组合导航系统。 图3.惯性导航工作原理 （2）惯性测量 惯性测量系统是利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机测量载体相对于地面运动的角速率和加速度，以确定载体的位置和地球重力场参数的组合系统。目前已被应用于石油测斜、城市测绘、地质监测、寻北仪表等领域。例如，陀螺寻北仪通常采用陀螺仪和加速度计的组合方案，利用陀螺仪测量地球旋转角速率的水平分量以获得载体的北向信息，利用加速度计测量陀螺的姿态角，对陀螺信号进行补偿。通过多位置法消除陀螺仪和加速度计的零偏影响，经过计算得到陀螺仪转轴与正北方向的夹角。 图4.惯性测量系统工作原理 （3）惯性稳控 惯性稳控是通过连续监测系统姿态与位置变化，利用伺服机构动态调整系统姿态，使被稳定对象与设定目标保持相对稳定的装置。惯性稳控利用陀螺仪敏感框架的角速率信号，利用控制算法进行伺服结构的控制，保持在外部干扰情况下平台的稳定，提高平台设备工作的性能。惯性稳控因其隔离载体干扰的能力，在各类运动平台得到了广泛的应用。常见的惯性稳控包括动中通天线，光电吊舱，摄像平台等。随着MEMS陀螺仪性能的不断提高，MEMS陀螺仪在惯性稳控系统中得到了越来越多的应用。 图5.惯性稳控系统工作原理 IMU的误差主要由零偏、比例因子和轴偏差引起。 1)零偏：当IMU静止放置时，加速度计三轴应输出[0,0,g]，其中g为重力加速度，陀螺仪三轴应输出[0,0,0]，但因加工工艺不可避免带来误差，导致静止输出会随着时间产生缓慢变化，造成数据漂移； 2)比例因子：可以认为是信号输出斜率，比如IMU内部随着时间跟温度的变化，会带来温度漂移，随着温度的变化，温漂不断变化，近似直线； 3)轴偏差：理想情况下，XYZ三轴相互正交，且加速度计与陀螺仪相互重合，但一般加速度计与陀螺仪分开制造及装配，其坐标系并不重合，因此带来了轴偏角误差。 因此，IMU的陀螺仪和加速度计特性会随着时间和环境的变化而变化。加速度计对IMU的影响主要体现在加速度计的精度和稳定性两个方面，加速度计的高精度是为保障后续数据处理的精确性，加速度计的稳定性则是直接影响IMU能否发挥出正常性能的关键因素。陀螺仪对IMU的影响主要体现在其精确性上，最后IMU能否正确感知产品的姿态就是依靠陀螺仪的精确性。 图6.MEMS-IMU的误差源 1.2IMU核心组成部分——加速度计 三轴加速度传感器是一种基于加速度的基本原理实现的惯性传感器，能够测量物体的比力和角度。比力指去掉重力后的整体加速度或者单位质量上作用的非引力。当加速度计保持静止时，加速度计能够感知重力加速度，而整体加速度为零。 在自由落体运动中，整体加速度就是重力加速度，但加速度计内部处于失重状态，而此时三轴加速度计输出为零。测量角度时，弹簧压缩量由加速计与地面的角度决定。比力能够通过弹簧压缩长度来测量。因此，在没有外力作用的情况下，加速度计能够精确地测量俯仰角和滚转角，且没有积累误差。 图7.加速度计工作原理 常见的加速度计有机械摆式加速度计、石英加速度计、MEMS加速度计等。根据核心性能参数一般分为战略级、导航级、战术级、消费级，其中机械摆式加速度计及高精度石英谐振加速度计按照性能主要归类为战略级和导航级，主要应用于航天、航海陆地巡航等领域；MEMS加速度计和石英加速度计主要属于战术级和导航级加速度计，主要用于航空、长航时无人系统及高端工业领域。 表1.各类别加速度计的主要应用领域和主要技术 零偏稳定性：基于ALLAN方差方法，衡量加速度计在一个工作周期内，当输入线加速度为零时，加速度计输出值围绕其均值的离散程度。数值越小表示性能越高。 标度因数精度：表征加速度计由于温度变化、非线性、重复性等影响因素，标度因数围绕其均值的离散程度，一般用ppm（parts per million）表示。数值越小表示性能越高。 MEMS三轴加速度计一般采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的比力(压力或者位移)分别正比于电阻、电压和电容的变化，这些变化可以通过相应的放大和滤波电路进行采集，其中电容式加速度计应用最为广泛。该传感器的缺点是受振动影响较大。 （1）电容式加速度计体积尺寸小、灵敏度高、温度敏感性低、可高度集成，因而在手机、汽车等消费级市场应用最为广泛，在消费级市场使用量占比超过90%； （2）相对电容式加速度计，压电式和压阻式加速度计测量范围大、耐用性好、抗干扰性强，通常用于中高端应用市场，如工业领域中的机器及工具运行状态监控等。 图8.MEMS三轴加速计 不同应用领域对加速度计性能的关注点不同，根据应用领域差异针对性地对加速度计性能参数进行选择至关重要。消费电子、汽车、工业、军事武器和航空航天道航等领域对被测物体加速度、倾斜、振动或冲击等方面的测量需求存在差异，例如，手机、可穿戴等消费电子对加速度计成本、功耗要求高，对稳定性、误差等方面无严苛要求。而战术、道航等应用对加速度计误差和稳定性要求更高，成本、功耗不是该类应用关注重点。 表2.不同细分应用领域对MEMS加速度计的性能要求 表3.MEMS加速度计重要参数说明 1.3IMU核心组成部分——陀螺仪 陀螺仪用于测量单元中的角速度及对角速度积分后角度的计算，是惯性导航系统的核心敏感器件，其测量精度直接影响惯导系统的姿态解算的准确性。 三轴陀螺仪的工作原理基于科里奥利力（Coriolis force），简称科氏力。来自于物体运动所具有的惯性，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。 当本来直线的运动放在一个旋转体系中直线轨迹会发生偏移，而实际上直线运动的问题并未受到力的作用，设立这样一个虚拟的力称为科里奥利力。由此在陀螺仪中，选用两块物体，它们处于不断的运动中，并令它们运动的相位相差-180度，即两个质量块运动速度方向相反，而大小相同。它们产生的科氏力相反，从而压迫两块对应的电容板移动，产生电容差分变化。电容的变化正比于旋转角速度。 由电容即可得到旋转角度变化。 图9.科里奥利力 陀螺仪按照技术分类可分为环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、动力调谐陀螺仪、半球谐振陀螺仪、静电悬浮陀螺仪、MEMS陀螺仪等。目前市场上大量使用的陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪，其中激光陀螺仪和光纤陀螺仪分别属于第一代光学陀螺仪和第二代光学陀螺仪。激光陀螺仪和光纤陀螺仪均利用光程差的原理来测量角速度，但是由于光纤可以进行绕制，检测灵敏度和分辨率提高，能够有效克服激光陀螺仪的闭锁问题。MEMS陀螺仪具备小型化、高集成、低成本的特点，因此，虽然其精度较激光陀螺仪与光纤陀螺仪低，但仍具有广阔的应用场景。 表4.MEMS陀螺仪与激光陀螺仪、光纤陀螺仪具体差异 MEMS陀螺仪的分类方式众多，较为基本的分类方式是根据性能指标进行划分，可分为速率级、战术级和惯性级。其中速率级性能要求最低，是目前使用最为常见的MEMS陀螺仪类型，广泛用于消费电子和汽车