机器人IMU：补足导航欠缺，辅助机器运动

从扫地机器人到物流机器人到工业搬运机器人，这些都可以算作移动机器人范畴。随着移动机器人的普及，大家也对它们的出现已经习以为常了。我们常见的这些移动机器人都属于轮式机器人，虽然它们有着各种各样的底盘，但归根结底它们的移动都需要靠底盘上的车轮来模拟人的移动。

 

两轮差速底盘应该是现在应用最多的移动底盘，两个驱动轮带一个从动万向轮，靠差速转弯。扫地机器人以及绝大部分物流AMR都选择了这种移动底盘。尤其是AMR，作为自主导航机器人，机器必须实时知晓自己的位置。在移动机器人测算自己位置的时候，离不开绝对角度这个值，这个值是由IMU提供的。可以说机器人整体里程计的精度，也就是机器人的”位置感”，和IMU有着莫大的关系。

 

融合IMU成了视觉SLAM方案和激光SLAM方案补足自身导航方案缺点的有效手段。IMU发展至今也将加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等MEMS器件集成在一起，以更小的体积、更低的成本来辅助机器运动。本期将挑选机器人应用向性能顶尖的IMU看看它们做到了什么样的层次。

 

ADIS16486完整惯性系统

 

ADIS16486是ADI目前最新的机器人应用向的惯性系统，应用了ADI行业领先的iMEMS技术和优化动态性能的信号调理功能。

 

（ADI）

 

ADIS16486内置了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速计，针对各传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度都进行了校准。可以说每个传感器都配有动态补偿公式，提供精确的传感器测量。

 

内置的三轴陀螺仪最重要的灵敏度误差，仅有±0.5%，这是最关键的指标。动态范围为±450°/s，轴间错位误差为±0.018°，运行偏置的稳定性为5.3°/h，FS非线性度仅为0.01%。三轴陀螺仪的精度参数值都是很高的精度水平而且噪声密度极低。同时三轴数字加速计的动态范围也在±18g左右。在保证三轴的精度同时，还有着角度增量输出和速度增量输出。严格的正交对准可简化导航系统中的惯性坐标系对准。

 

该惯性系统可以承受最大2000g的机械冲击，串行外设接口和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供简单的接口。这种完整的系统设计比起复杂且昂贵的分立设计，可以说是既简单又高效。这系列可以很好的适配各类移动机器人导航系统。

 

ICM-42688-P IMU单元

 

ICM-42688-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。

 

（TDK）

 

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。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0.0028dps/√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880µA；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。

 

ISM330DHCX iNEMO惯性模块

 

之所以叫做iNEMO惯性模块，是因为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。

 

（ST）

 

ISM330DHCX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ISM330DHCX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。

 

ISM330DHCX的满标度加速度范围为±2/±4/±8/±16 g，角速率范围为±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000 dps覆盖范围很广，不仅适用于机器人应用，对于绝大部分工业应用都有覆盖。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。

 

首先为了在系统层面进一步节电，iNEMO 惯性模块内嵌机器学习内核。MLC运行一个传感器内置的分类引擎，卸载主处理器的负荷以运行不同的任务，同时内置的传感器可以识别运动数据。另外多个传感器输出的集成令运动传感系统的精度很高，在机器室内导航应用上能很好的弥补V-SLAM和激光SLAM的缺陷。

 

小结

 

在机器人应用上这些器件属于高性能的选择，有些指标甚至是车规级应用的水平。移动机器人在IMU上的选择很大程度上决定了其导航水平的高低。没有IMU给SLAM这种极度依赖外部数据的系统提供辅助数据，整个导航系统也是“睁眼瞎”。在移动机器人厂商大谈自家SLAM导航如何优秀如何独特的时候，切不可忘了这些给SLAM技术提供支持的元器件性能是否与之匹配。