“人形机器人的Optimus时刻”系列（六）： IMU（姿态感知）：旧火新茶，其时已至

IMU（惯性测量单元）：姿态测量和惯导的核心传感器。IMU是测量物体三轴角速率及加速度的装置，通常由两个及以上的加速度计和陀螺仪组成。IMU作为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。IMU按使用性能从低到高可分为消费级、工业级和军用级，不同级别的IMU在设计、制造和成本方面都有所差异，以满足不同领域对性能和可靠性的需求。IMU下游应用广泛，涵盖从消费电子、汽车电子到工业与通信、医疗健康等各个领域。 IMU成长空间广阔，国产替代蓄势待发。MEMS传感器细分种类繁多，IMU及核心零部件在所有细分产品中占比最高。据Yole数据，全球IMU市场规模有望从2018年的13.79亿美元、12.04亿颗增长至2027年的27.92亿美元、22.82亿颗；消费电子、汽车电子是其下游主要的应用领域。受益于新能源车需求增量和替换量的双重利好，2027年我国IMU市场有望达到75.5亿元。博世、ADI等海外大厂在技术研发、制造工艺和市场拓展方面拥有雄厚的实力和经验，形成了核心壁垒，2021年全球IMU市场的前五大厂商均为国际大厂，总计占据88%的市场份额。国内IMU市场中，相比外资厂商，本土厂商在本地化服务、供应链整合等方面积极进行差异化竞争，未来国产替代空间广阔。 人形机器人和智能汽车双轮驱动，IMU迎来发展新机遇。1）智能汽车：L2+车型选择“GNSS+IMU”组合导航方案正迅速普及。据百度Apollo，GNSS+IMU的卫惯组合可以实现85%左右的场景覆盖，增强导航系统在各类环境下的稳定性。伴随着我国自动驾驶L2+级别的渗透率到2030年有望达到65%的水平，经过我们的测算，2023年我国自动驾驶领域车载IMU市场规模为31.51亿元，到2030年将提升至154.94亿元，期间CAGR为25.55%。2）人形机器人：在特斯拉近期发布的视频中，Optimus可以做出高难度的瑜伽、舞蹈动作，展示出强大平衡控制和行走导航能力。IMU在人形机器人中主要应用在平衡维持、导航定位和动作执行三个方面，基于合理假设，经过我们的测算，在特斯拉Optimus量产达到10/50/100万台时，对应的IMU市场规模分别为2.4/10/16亿元。 国产厂商迎难而上，加速破局。1）华依科技：公司前瞻布局惯性导航业务，2020年与上汽集团签署技术合作开发备忘录，联合开发高级别自动驾驶中的定位技术。公司积极进行IMU前期研发布局，继2022年获奇瑞汽车定点后，2023年公司分别获得智己汽车某项目惯性导航总成和某客户某车型惯性导航定点的开发通知书，惯导产品实现从“0”到“1”的突破。2）芯动联科：公司以陀螺仪为核心产品，向IMU积极延伸。公司的高性能MEMS惯性传感器具有小型化、高集成、低成本的优势，核心性能指标达到国际先进水平，具备较强的市场竞争力。3）明皜传感：公司形成了以MEMS加速度计为核心的产品组合，凭借小型化、低成本、高性能、高可靠性的优势，公司已向荣耀、小米、联想、歌尔等行业知名终端客户批量供货。此外，公司车规级MEMS加速度计已向东软集团批量供货，并已导入比亚迪等汽车级客户。根据公司招股书披露，2021年度公司MEMS加速度计全球市占率2.11%，位列MEMS加速度计厂商的全球第七位，打破海外厂商垄断。 行业投资评级与投资建议。IMU应用空间广阔，核心技术壁垒高筑，人形机器人、智能汽车等新兴产业驱动IMU市场高速增长。国内厂商有望通过多年产业、技术积累和高性价比，加速导入核心客户，实现国产替代。给予IMU行业“推荐”评级。重点关注华依科技、芯动联科。 风险提示：人形机器人进展不及预期；国内厂商产品开发进度、核心客户导入不及预期；原材料价格上涨增加成本风险；市场竞争加剧等。 投资主题 报告亮点 “旧火”指的是惯性传感器历史悠久，从基于牛顿经典力学原理、基于萨格奈克效应到当下基于哥氏振动效应和微纳加工技术到未来基于现代量子力学技术，有着非常长的研发周期和丰富的应用场景。 “新茶”指的是人形机器人、智能汽车等新兴应用场景，带来IMU全新发展机遇。 报告第一章参考国际大厂ADI的产品线，对IMU、加速度计和陀螺仪进行详细原理层、产品层和应用层介绍；第二章梳理了MEMS传感器产品结构，并对惯性传感器的市场规模、结构占比、下游应用和竞争格局进行分析；第三章拆解了两大增量市场，智能汽车和人形机器人，并对未来空间进行测算； 第四章挖掘了核心标的。 投资逻辑 IMU应用空间广阔，核心技术壁垒高筑，人形机器人、智能汽车等新兴产业驱动IMU市场高速增长。国内厂商有望通过多年产业、技术积累和高性价比，加速导入核心客户，实现国产替代。1）华依科技：公司前瞻布局惯性导航业务，2020年与上汽集团签署技术合作开发备忘录，联合开发高级别自动驾驶中的定位技术。公司积极进行IMU前期研发布局，继2022年获奇瑞汽车定点后，2023年公司分别获得智己汽车某项目惯性导航总成和某客户某车型惯性导航定点的开发通知书，惯导产品实现从“0”到“1”的突破。2）芯动联科：公司以陀螺仪为核心产品，向IMU积极延伸。公司的高性能MEMS惯性传感器具有小型化、高集成、低成本的优势，核心性能指标达到国际先进水平，具备较强的市场竞争力。3）明皜传感：公司形成了以MEMS加速度计为核心的产品组合，凭借小型化、低成本、高性能、高可靠性的优势，公司已向荣耀、小米、联想、歌尔等行业知名终端客户批量供货。此外，公司车规级MEMS加速度计已向东软集团批量供货，并已导入比亚迪等汽车级客户。根据公司招股书披露，2021年度公司MEMS加速度计全球市占率2.11%，位列MEMS加速度计厂商的全球第七位，打破海外厂商垄断。给予IMU行业“推荐”评级。重点关注华依科技、芯动联科。 一、IMU（惯性测量单元）：姿态测量和惯导的核心传感器 （一）IMU：测量物体三轴姿态角和加速度 IMU（Inertial Measurement Unit）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。IMU通常由两个及以上惯性测量MEMS芯片及ASIC芯片合封后具有完整功能的器件。根据内置传感器（三轴磁传感器、三轴加速度计和三轴陀螺仪）的不同，分为六轴和九轴IMU，能够满足不同应用场景下高精度测量的需求。最常见的六轴IMU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。 图表1 IMU结构 IMU使用性能从低到高可分为消费级、工业级和军用级。消费级IMU主要应用于日常电子设备，如智能手机、可穿戴设备等，其性能注重成本效益和轻便设计。工业级IMU则更专注于工业自动化、机器人、车辆导航等领域，具有更高的精度和稳定性，以适应复杂和要求更为苛刻的环境。而军用级IMU则是最高级别的，被广泛用于导弹、飞行器、战术导航系统等军事应用，具备卓越的抗干扰能力、高精度和可靠性，以确保在复杂和敌对环境下的精准导航和定位能力。不同级别的IMU在设计、制造和成本方面都有所差异，以满足不同领域对性能和可靠性的需求。 图表2 IMU价格&使用场景 IMU下游应用广泛，高性能产品聚焦高精尖领域。IMU广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。从消费电子、汽车电子到工业与通信、高可靠、医疗健康，IMU的应用涵盖了各个领域。随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展，到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。IMU的高性能产品在推动技术创新和满足复杂任务需求方面发挥着关键作用。 图表3 IMU应用领域 图表4 IMU测量五大物理量 IMU与卫星等其他导控模块形成惯性导航系统、组合惯性系统。从技术层次来看，惯性技术领域可以分为惯性器件与惯性系统两个层级，惯性器件主要包括测量角速率的陀螺仪和测量线加速度的加速度计；惯性系统是以惯性器件为核心，经下游应用端客户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。其中惯性导航应用领域最为广泛，可以与卫星导航结合使用，形成组合导航系统。 图表5组合惯性导航系统 （二）IMU核心组成部分（1）：加速度计 MEMS加速度计是一种惯性传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、电容极板（适用于电容式加速度计）和ASIC芯片（专用集成电路芯片）等部分组成。根据测量维度的不同，加速度计分为单轴、二轴、三轴三种类型。相比单轴、二轴加速度计仅能检测平面的运动状态改变，三轴加速度计可以实现单一产品测量三维空间的加速度，从而满足微型化及更多领域的应用需求。根据感测原理，MEMS加速度计可分为压阻式、电容式以及压电式等多种类型；电容式MEMS加速度计具有高灵敏度、高精度、低温度敏感的特点，在市场中占据主导地位。 图表6三轴加速度计工作原理 零偏稳定性是衡量加速度计性能的主要核心指标。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。零偏稳定性、零偏重复性、线速度随机游走和标度因数精度是衡量加速度计性能的主要核心指标。 图表7加速度计性能指标 按照性能和应用场景，加速度计分为战略级、导航级、战术级（工业＋汽车）、消费级。 战略级加速度计通常被用于航空航天等军事应用，要求精准测量和极高的性能。战术级加速度计在工业和汽车领域得到广泛应用，用于提高机械系统和车辆的性能。在工业领域，可用于监测和控制生产设备的运动，优化生产流程。在汽车领域，可用于车辆稳定性控制、车载导航和智能驾驶系统，以提高驾驶体验和道路安全性。消费级加速度计则广泛应用于智能手机、智能手表和其他便携式设备中，主要用于检测设备的运动和方向，实现屏幕旋转、步数计算和游戏体验等功能，关键特点是小型化、低功耗和经济性，以满足大众消费市场的需求。 图表8不同技术加速度计性能情况 针对不同应用领域，对加速度计的性能进行选择至关重要。加速度计可用于测量被测物体加速度，监测物体倾斜、震动或冲击情况。消费电子、汽车、工业、军事武器和航空航天导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、导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。因此，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。 图表9各类别加速度计主要应用领域、主要技术 图表10 ADI加速度计划分指标 图表11 ADI加速度计应用版图 （三）IMU核心组成部分（2）：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。陀螺仪通过按时间对角速度进行积分可得到角度位置，以此可以用来检测设备的姿势变化。陀螺仪传感器有多种类型，用途也很丰富。根据俯仰角、横滚角、航向角的检测轴数，分为单轴、双轴或三轴传感器。 图表12陀螺仪工作原理 图表13 MEMS陀螺仪内部结构示意图 陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪，技术发展相对成熟。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，激光陀螺仪利用光程差的原理来测量角速度，光纤陀螺仪与激光陀螺仪基本原理相同，但由于光纤可以进行绕制，激光回路长度增加，检测灵敏度和分辨率也提高，能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，加之高性能MEMS陀螺仪精度的不断提升，可解决光纤陀螺和激光陀螺由于体积较大、抗冲击能力弱的问题，满足高可靠、无人系统等领域智能化升级的要求，MEMS陀螺仪的增量市场进一步