机械：人形机器人-自动驾驶的下一个风口：高性能MEMS IMU

敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告人形机器人&自动驾驶的下一个风口：高性能MEMS IMU证券研究报告华安机械 张帆 S0010522070003 2023年10月19日 敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所核心观点• IMU（惯性测量单元）通过测量物体加速度和角速度的变化来推算出物体在三维空间中的位置和姿态。目前高精度MEMS IMU民用市场，主要应用场景包括高精度自动驾驶以及人形机器人。• 自动驾驶达到L3级以及以上，所需要IMU精度需要达到1°/h以内，目前较高精度的MEMS IMU芯片全部依赖于海外进口；人形机器人达到特斯拉Optimus的精度，需要通过增加高精度MEMS IMU数量来达到身体稳定、姿态控制以及头不稳定补偿的效果，因此高性能MEMS IMU芯片国产自主可控的机遇需要提前布局。• 我们基于人形机器人单机需要4个MEMS IMU、自动驾驶L3及以上精度渗透率达到20%、单颗IMU价格按照1000元的乐观假设，预测高性能MEMS IMU市场规模最高达100亿元。目前国产高性能三轴芯片自主可控已突破，放量在即百亿市场有望迎来爆发。• 建议关注公司：芯动联科（买入），华依科技，华测导航（买入，华安通信覆盖），星网宇达，中海达，苏州固锝。• 风险提示：研发进度不及预期；宏观经济景气度不及预期；测算市场空间的误差风险；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。2敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告目录1. IMU位置和姿态控制核心2. MEMS IMU在自动驾驶领域放量在即3. MEMS IMU卡位人形机器人4. MEMS IMU市场空间广阔5. 建议关注公司6. 风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.1什么是IMU4•惯性测量单元(Inertial measurement unit，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。资料来源：维基百科，华安证券研究所整理图表1 阿波罗11号IMU敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.2 IMU的基本原理5•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。资料来源：与非网，华安证券研究所整理图表2 MEMS加速度计敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.2 IMU的基本原理6•下图为MEMS陀螺仪角速度计（MEMS gyroscope），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。资料来源：与非网，华安证券研究所整理图表3 MEMS陀螺仪角速度计敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.3 IMU分级7•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。资料来源：CSDN，华安证券研究所整理图表4 IMU的精度、价格和使用场景敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.4 IMU测量误差8•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。资料来源：武汉大学多源智能导航实验室，华安证券研究所整理图表5 IMU的误差类型产生原因非正交误差//比例误差非线性度/噪声角度随机游走计算姿态的本质是对角速率做积分，这必然会对噪声也做了积分。白噪声的积分并不是白噪声，而是一个马尔可夫过程，即当前时刻的误差是在上一时刻误差的基础上累加一个随机白噪声得到的。角度误差中所含的马尔可夫性质的误差，称为角度随机游走。常值零偏在MEMS中，可能是微机电结构中的带电质量块在电容板中的位置不准确，就产生了这样的固定零偏。零偏（上电）重复性 全称是零偏逐次上电重复性（run-to-run repeatability），这是传统惯性器件的经典指标，是指惯性器件不同次上电运行时的零偏的不重复程度。零偏温敏系数板间介质的介电常数是会随着温度变化的，同样的加速度。角速度，在不同的温度下可能测量的值不同，这就导致了IMU的温漂现象零偏稳定性反映器件上电稳定后其零偏随时间变化的情况（这里指温度恒定的情况下的零偏漂移，和温漂区分开），主要是由于电子器件的闪变噪声(Flicker Noise)影响，导致零偏或者说偏置随时间游走。零偏加速度敏感性陀螺的输出本来应该对加速度完全不敏感，但由于其敏感结构的加工误差等因素，多少还是会受到线加速度影响的。确定性误差零偏随机误差误差类型敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告华安证券研究所1.5 民用MEMS IMU市场空间测算方法论9资料来源：华安证券研究所整理图表6 民用MEMS IMU市场空间测算方法论自动驾驶机器人L3级以上渗透率-R汽车销量-QIMU单价-PIMU单车数量-N机器人出货量-QIMU单机