機(jī)器人IMU：補(bǔ)足導(dǎo)航欠缺，輔助機(jī)器運(yùn)動

從掃地機(jī)器人到物流機(jī)器人到工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人，這些都可以算作移動機(jī)器人范疇。隨著移動機(jī)器人的普及，大家也對它們的出現(xiàn)已經(jīng)習(xí)以為常了。我們常見的這些移動機(jī)器人都屬于輪式機(jī)器人，雖然它們有著各種各樣的底盤，但歸根結(jié)底它們的移動都需要靠底盤上的車輪來模擬人的移動。

兩輪差速底盤應(yīng)該是現(xiàn)在應(yīng)用最多的移動底盤，兩個驅(qū)動輪帶一個從動萬向輪，靠差速轉(zhuǎn)彎。掃地機(jī)器人以及絕大部分物流AMR都選擇了這種移動底盤。尤其是AMR，作為自主導(dǎo)航機(jī)器人，機(jī)器必須實時知曉自己的位置。在移動機(jī)器人測算自己位置的時候，離不開絕對角度這個值，這個值是由IMU提供的?？梢哉f機(jī)器人整體里程計的精度，也就是機(jī)器人的”位置感”，和IMU有著莫大的關(guān)系。

融合IMU成了視覺SLAM方案和激光SLAM方案補(bǔ)足自身導(dǎo)航方案缺點(diǎn)的有效手段。IMU發(fā)展至今也將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起，以更小的體積、更低的成本來輔助機(jī)器運(yùn)動。本期將挑選機(jī)器人應(yīng)用向性能頂尖的IMU看看它們做到了什么樣的層次。

ADIS16486是ADI目前最新的機(jī)器人應(yīng)用向的慣性系統(tǒng)，應(yīng)用了ADI行業(yè)領(lǐng)先的iMEMS技術(shù)和優(yōu)化動態(tài)性能的信號調(diào)理功能。

（ADI）

ADIS16486內(nèi)置了一個三軸陀螺儀和一個三軸加速計，針對各傳感器的靈敏度、偏置、對準(zhǔn)和線性加速度都進(jìn)行了校準(zhǔn)?？梢哉f每個傳感器都配有動態(tài)補(bǔ)償公式，提供精確的傳感器測量。

內(nèi)置的三軸陀螺儀最重要的靈敏度誤差，僅有±0.5%，這是最關(guān)鍵的指標(biāo)。動態(tài)范圍為±450°/s，軸間錯位誤差為±0.018°，運(yùn)行偏置的穩(wěn)定性為5.3°/h，F(xiàn)S非線性度僅為0.01%。三軸陀螺儀的精度參數(shù)值都是很高的精度水平而且噪聲密度極低。同時三軸數(shù)字加速計的動態(tài)范圍也在±18g左右。在保證三軸的精度同時，還有著角度增量輸出和速度增量輸出。嚴(yán)格的正交對準(zhǔn)可簡化導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性坐標(biāo)系對準(zhǔn)。

該慣性系統(tǒng)可以承受最大2000g的機(jī)械沖擊，串行外設(shè)接口和寄存器結(jié)構(gòu)針對數(shù)據(jù)收集和配置控制提供簡單的接口。這種完整的系統(tǒng)設(shè)計比起復(fù)雜且昂貴的分立設(shè)計，可以說是既簡單又高效。這系列可以很好的適配各類移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。

ICM-42688-P是TDK針對機(jī)器人運(yùn)動追蹤應(yīng)用推出的高性能6軸IMU。 TDK慣性傳感器系列由加速度傳感器、陀螺儀傳感器復(fù)合化的IMU構(gòu)成，旗下的機(jī)器人IMU在日本機(jī)器人行業(yè)中有很高的知名度。

（TDK）

這款6軸MEMS運(yùn)動傳感器，在性能上是絕對的行業(yè)領(lǐng)先。它的噪聲、靈敏度以及隨時間和溫度變化的偏置穩(wěn)定性都處于很高的行業(yè)水平。其中的陀螺儀，最關(guān)鍵的靈敏度誤差，依然是±0.5%這個絕對領(lǐng)先的數(shù)值。在零速率偏移量上，可以做到±0.5dps這種車載水平。而在機(jī)器人應(yīng)用中絕對重要的噪聲密度，為0.0028dps/√Hz，低密度的噪聲讓機(jī)器人更容易獲取自己的位置信息。

加速度計同樣是±0.5%的靈敏度誤差以及車載水平的±40mg零加速度偏移量。噪聲密度為75dps/√Hz。該IMU配合TDK旗下的RoboVac可以進(jìn)一步提高應(yīng)用程序性能的獨(dú)特功能，如與RTC同步的樣本，20位的ADC，32kHz的ODR。

這個系列還有一個更直接的優(yōu)勢，功耗低。在低噪聲模式下的A+G為880μA；在低功率模式下的A小于50μA。對于移動機(jī)器人這類中小型機(jī)器人，低功耗器件往往是廠商的第一選擇。

之所以叫做iNEMO慣性模塊，是因為ST在IMU內(nèi)整合了補(bǔ)充類型的傳感器，提供了比分立式MEMS產(chǎn)品更小巧、穩(wěn)定且易于組裝的慣性模塊。整合的器件包括加速計，陀螺儀以及磁力計。

（ST）

ISM330DHCX的傳感元件采用專門的MEMS工藝制造，IC接口則采用CMOS技術(shù)開發(fā)，與傳感元件有很好的匹配度。在ISM330DHCX中不同于其他設(shè)計的是加速度計和陀螺儀的傳感元件在同一個硅芯片上，這種設(shè)計最直接的效果就是提升了器件的穩(wěn)定性和魯棒性。

ISM330DHCX的滿標(biāo)度加速度范圍為±2/±4/±8/±16 g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000 dps覆蓋范圍很廣，不僅適用于機(jī)器人應(yīng)用，對于絕大部分工業(yè)應(yīng)用都有覆蓋。雖然該模塊是泛工業(yè)應(yīng)用器件，不是專門針對機(jī)器人應(yīng)用推出的，但是它在整體設(shè)計有無可爭議的優(yōu)異性能，以及完善的配套可以完美契合移動機(jī)器人應(yīng)用。

首先為了在系統(tǒng)層面進(jìn)一步節(jié)電，iNEMO 慣性模塊內(nèi)嵌機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核。MLC運(yùn)行一個傳感器內(nèi)置的分類引擎，卸載主處理器的負(fù)荷以運(yùn)行不同的任務(wù)，同時內(nèi)置的傳感器可以識別運(yùn)動數(shù)據(jù)。另外多個傳感器輸出的集成令運(yùn)動傳感系統(tǒng)的精度很高，在機(jī)器室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用上能很好的彌補(bǔ)V-SLAM和激光SLAM的缺陷。

在機(jī)器人應(yīng)用上這些器件屬于高性能的選擇，有些指標(biāo)甚至是車規(guī)級應(yīng)用的水平。移動機(jī)器人在IMU上的選擇很大程度上決定了其導(dǎo)航水平的高低。沒有IMU給SLAM這種極度依賴外部數(shù)據(jù)的系統(tǒng)提供輔助數(shù)據(jù)，整個導(dǎo)航系統(tǒng)也是“睜眼瞎”。在移動機(jī)器人廠商大談自家SLAM導(dǎo)航如何優(yōu)秀如何獨(dú)特的時候，切不可忘了這些給SLAM技術(shù)提供支持的元器件性能是否與之匹配。