利用IMU增強機器人

定位與實現精確導航

慣性測量單元（IMU）傳感器可實現機器人的定位與導航，已成為機器人精確定位的重要組成部分。IMU集成了加速度計、陀螺儀和磁力計，通過提供實時響應，使機器人能夠準確地確定其方向、位置和運動，從而使機器人能夠在動態(tài)變化的環(huán)境中導航。本文將為您介紹IMU的功能特性，與在自主移動機器人（AMR）的應用，以及ADI所提供的相關解決方案。

IMU幫助在AMR運行環(huán)境中實現精確定位

IMU可提供關鍵的運動數據，已成為機器人精確定位的重要組成部分。傳感器融合技術可將IMU數據與其他傳感器（例如攝像頭或LIDAR）相結合，通過整合多個數據源來提高定位精度。IMU廣泛應用于移動機器人、人形機器人、無人機（UAV），以及虛擬／增強現實。它們在實現精確定位方面發(fā)揮了重要作用，使機器人能夠自主執(zhí)行復雜任務并與周圍環(huán)境有效互動。

AMR對于未來的智能工廠和倉儲至關重要，在塑造未來自動化、可持續(xù)和清潔的工廠方面發(fā)揮著關鍵作用。AMR可提高效率、減少浪費并優(yōu)化工業(yè)環(huán)境中的利用率。雖然未來可能會專門為AMR建造和優(yōu)化工廠環(huán)境，但讓這些機器人適應現有的倉庫和工廠仍面臨諸多挑戰(zhàn)。AMR面臨的主要障礙涉及兩個關鍵部分，包括如何高效路徑規(guī)劃（確定最佳路徑）和精確定位（不斷更新其在環(huán)境中的位置）。

由于GPS無法在覆蓋的封閉環(huán)境下進行室內導航，因此AMR需要利用一系列傳感器和算法進行定位和導航。其中包括攝像頭、LIDAR和雷達等視覺傳感器，以及車輪編碼器和IMU等測程傳感器。每種傳感器模式在范圍、準確性和傳感信息方面都各有優(yōu)勢。這些傳感器的組合可確保提供全面的數據，從而在動態(tài)環(huán)境中有效定位機器人。

高性能IMU提升AMR的定位與導航能力

IMU是由微機電系統(tǒng)（MEMS）器件構成的微型器件。其中通常包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、高性能磁力計等。三軸加速度計用于測量相對于地球重力場的加速度。三軸陀螺儀用于測量旋轉速率，提供三個軸上每個軸的角速度。高性能磁力計可提供磁場測量，對于在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中準確估計方向至關重要。此外，還有其它種IMU，如溫度傳感器用于補償溫度變化，氣壓計用于測量壓力。

IMU的高刷新速率的實時定位，是自主性和實時導航是機器人操作環(huán)境中的關鍵要素。然而，感知傳感器的刷新速率通常受到限制，大概在10 Hz到30 Hz的范圍內。相比之下，IMU擁有提供高保真位置輸出的能力，最高可達200 Hz。更高的刷新速率，顯著提高了系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境中，快速適應方向快速變化時的可靠性，從而有助于快速響應。憑借加速的刷新速率，AMR還能夠在其他測量之間的短暫間隔內提供估計姿態(tài)。因此，IMU在實現實時定位方面發(fā)揮著關鍵作用，其刷新速率比感知傳感器快10倍。

另一方面，IMU是航位推算的支柱，航位推算是一種根據先前已知的位置估計當前位置的導航技術。IMU可隨著時間推移不斷提供位置、方向和速度數據，從而實現精確估計，有助于AMR實現可靠導航。

此外，IMU具有緊湊的尺寸和輕便的設計，非常適合集成到各種移動機器人配置中。IMU并需要具備在不同環(huán)境中的可靠性，具有一定的抗電磁干擾能力，可以在多種環(huán)境中運行，包括室外和室內環(huán)境。因此，它們適合廣泛的應用。

IMU還可以通過加快刷新速率提高可靠性，感知傳感器的刷新速率通常限制在約10 Hz至30 Hz之間，而IMU可提供高達4 kHz原始數據的高保真位置輸出，具有顯著的優(yōu)勢。更高的刷新速率增強了可靠性，特別是在動態(tài)環(huán)境中，使AMR能夠快速響應，并有助于在其他測量之間的短期間隔內估計姿態(tài)。

在已經有視覺傳感器的情況下，IMU對AMR來說仍然必不可少，這是因為AMR通常具有多種視覺傳感器，例如飛行時間（ToF）、攝像頭、LIDAR等。盡管視覺測程提供了豐富的數據集，但IMU仍有存在的必要性。

例如，AMR可在特征稀疏的走廊中導航，同步定位與地圖繪制（SLAM）算法本質上通過匹配觀察到的傳感器數據來工作，這些數據存儲在地圖中以便在地圖內進行定位。IMU還可實現在廣闊的開放環(huán)境中導航，當在大型開放空間（如50 m×50 m的大型倉庫）中工作時，因為各個獨特特征超出了傳感器范圍（LIDAR的最大范圍通常約為10 m到15 m），AMR的測程功能無法發(fā)揮作用。

當在斜坡上行駛時，傳統(tǒng)的SLAM算法依靠LIDAR時會遇到挑戰(zhàn)，因為2D點數據不顯示坡度信息。IMU可通過提取坡度信息來幫助解決這一難題，從而有效地在斜坡上導航。利用IMU導航時，需要具備對環(huán)境因素的敏感性，LIDAR傳感器對各種環(huán)境因素很敏感，例如環(huán)境光、灰塵、霧和雨。這些因素會降低傳感器數據的質量，進而影響SLAM算法的性能。IMU可以在各種環(huán)境中可靠運行，因而成為移動機器人在發(fā)揮多功能性時的合適選擇。

傳感器融合可提高IMU的可靠性與數據質量

然而，世界上并沒有十全十美的傳感器，盡管IMU有其優(yōu)勢，但也存在風險并會帶來一些挑戰(zhàn)，像是IMU測量容易受到噪聲的影響，這會降低機器人導航和控制的準確性。為了補償噪聲，IMU通常采用先進的濾波技術，例如卡爾曼濾波或FIR。

另一方面，IMU傳感器會隨著時間的推移積累偏置，這會導致方向和運動估計出現誤差。為了解決這個問題，采用了偏置估計算法來不斷更新IMU傳感器讀數。此外，IMU傳感器會表現出非線性行為，這會進一步加劇數據處理和解釋的復雜性。為了對非線性度進行補償，需要對其進行校準以表征傳感器的行為并應用適當的校正。

隨機游走現象也是需要考慮的議題，IMU易受到外部熱機械事件的影響，導致ARW（角度隨機游走（陀螺儀中））和VRW（速度隨機游走（加速度計中））出現誤差。該如何降低這些風險呢？傳感器融合將是重要的技術！

傳感器融合可提高可靠性、提高數據質量，以及更好地估計未測量的狀態(tài)，并增加覆蓋范圍從而確保安全。傳感器融合需要靠算法來支持，擴展卡爾曼濾波等狀態(tài)估計技術可以糾正常規(guī)AMR運行期間的噪聲、ARW和偏置不穩(wěn)定性誤差，并通過測量地球引力加速度，可以消除IMU中的俯仰和滾轉陀螺儀誤差，該算法會跟蹤和糾正偏置漂移，并糾正ARW誤差。

擴展卡爾曼濾波器（EKF）則可用在即使建模系統(tǒng)的確切性質未知，也支持對過去、現在和未來狀態(tài)的估計。隨著時間的推移，觀察到的測量值包含高斯白噪聲或其他不準確性，并通過同步傳感器之間的測量、預測姿態(tài)和誤差估計、估計和更新預測值的不確定性，利用這些方式來估計測量的真實值。

高精密度的微型微機電系統(tǒng)慣性測量單元

由ADI推出的ADIS16500是一款精密的微型微機電系統(tǒng)慣性測量單元，它包括一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計。ADIS16500中的每個慣性傳感器均結合了可優(yōu)化動態(tài)性能的信號調節(jié)功能。工廠校準可表現每個傳感器的靈敏度、偏置、對準、線性加速（陀螺儀偏置）和沖擊點（加速度計位置）。因此，每個傳感器都有動態(tài)補償公式，用于在各種條件下提供準確的傳感器測量。

ADIS16500提供了一種簡化且經濟高效的方法，用于將精確的多軸慣性檢測技術集成到工業(yè)系統(tǒng)中，尤其是在與離散設計所涉及的復雜性和投資進行比較時。所有必要的運動檢測和校準均已在工廠生產過程中完成，大大縮短了系統(tǒng)集成時間。在導航系統(tǒng)中，緊密的正交對準簡化了慣性坐標系對準。串行外設接口（SPI）和寄存器結構設有一個簡單接口，用于數據收集和配置控制。

ADIS16500內置的三軸數字陀螺儀具有±2000°/sec的動態(tài)范圍，運行偏置穩(wěn)定性為8.1°/小時，x軸和y軸角度隨機游走為0.29°/√小時，1 σ，軸間錯位誤差為±0.25°；內置三軸數字加速計的動態(tài)范圍為±392 m/s2，運行偏置穩(wěn)定性為125 μm/s2，支持三軸、角度增量和速度增量輸出，出廠前經過工廠校準靈敏度、偏置和軸向對準，校準溫度范圍為?10℃至+75℃。

ADIS16500支持SPI兼容數據通信，以及可編程操作和控制、自動和手動偏置校正控制，還有用于同步數據采集的數據就緒指示器，支持直接、縮放和輸出的外部同步模式，以及慣性傳感器按需自檢、閃存按需自檢，采用3.0 V至3.6 V單電源供電（VDD），具有19,600 m/sec2機械沖擊生存能力，可在?25℃至+85℃的溫度范圍工作，ADIS16500采用100球的球柵陣列（BGA）封裝，尺寸約為15 mm × 15 mm × 5 mm。ADIS16500可應用于導航、穩(wěn)定和儀器儀表、無人和自動駕駛車輛、智能農業(yè)和建筑機械、工廠／工業(yè)自動化、機器人、虛擬／增強現實、運動物聯(lián)網（IoMT）等。

結語

IMU是AMR定位的必備元器件，因為IMU可以提供方向估計和運動跟蹤，并以高刷新速率提供實時響應，使得AMR能夠在動態(tài)環(huán)境中行駛。借助卡爾曼濾波器等傳感器融合技術，可以組合其他傳感器模塊來彌補彼此的局限性。ADI提供豐富多樣的IMU，將可滿足各種移動機器人應用的特定要求。