從“驚天三連跳”說起，解讀機器人靈巧行走背后的技術(shù)秘密

記得三個月前，朋友圈被來自無數(shù)公眾號發(fā)布的動力機器人“驚天三連跳”給刷屏了，高臺跑酷如履平地，實在叫人震撼！然而在機器人快速發(fā)展的今天，有多少人知道曾經(jīng)的“傻寶”機器人？那種一步歪步步歪、平地緩行都能跌倒的痛，外行是無法體會的。在2018年的RoboMaster機甲大師賽上，這種穩(wěn)定行走已經(jīng)是大學生機器人設(shè)計的基本要求，比如參賽隊香港科技大學ENTERPRIZE戰(zhàn)隊和哈爾濱工業(yè)大學I Hilter戰(zhàn)隊均采用了ADI公司的陀螺儀確保運動的穩(wěn)定性。
早期不成熟機器人走直線的結(jié)果是歪歪曲曲的，只因它在行進過程中的各種擾動使得其發(fā)生了繞著垂直于地面方向的旋轉(zhuǎn)。所以科學家們尋找了一種傳感器，可以用來測量機器人垂直于地面方向的旋轉(zhuǎn)量，然后再通過在系統(tǒng)中不停地加入計算結(jié)果，最后達到消除誤差的目的。?
MEMS 陀螺儀，靈動機器人背后的秘密
在2018年的RoboMaster機甲大師賽上，這種穩(wěn)定行走已經(jīng)是大學生機器人設(shè)計基本的要求，比如參賽隊香港科技大學ENTERPRIZE戰(zhàn)隊和哈爾濱工業(yè)大學I Hilter戰(zhàn)隊均采用ADI公司的陀螺儀確保運動的穩(wěn)定性。

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而在RoboMaster機甲大師賽中采用的ADIMEMS陀螺儀（微機械陀螺儀）就利用了這個原理測量旋轉(zhuǎn)度（即角速度）。MEMS陀螺儀在測得角速度之后，再將其進行積分就可以得到相對角度（此時主要是通過參考自身的某一狀態(tài)，比如剛啟動時的狀態(tài)），最后再通過PID理論修正角度，從而達到直行的效果。

如上圖，ADI公司的ADIS16470是一款完整的慣性系統(tǒng)，包括一個三軸陀螺儀和一個三軸加速計。ADIS16470 中的每個慣性傳感器均結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的 iMEMS技術(shù)和可優(yōu)化動態(tài)性能的信號調(diào)節(jié)功能。工廠校準可表現(xiàn)每個傳感器的靈敏度、偏置、對準和線性加速（陀螺儀偏置）特性。因此，每個傳感器都有其自己的動態(tài)補償公式，用以提供準確的傳感器測量。?
ADIS16470 能夠提供了一種簡單、經(jīng)濟高效的方法，用于將精確的多軸慣性測量技術(shù)集成到工業(yè)系統(tǒng)中，尤其是在與離散設(shè)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(chǎn)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。SPI 和寄存器結(jié)構(gòu)設(shè)有一個簡單接口，用于數(shù)據(jù)收集和配置控制。ADIS16470 采用 44 引腳 BGA 封裝，尺寸約為 11 mm × 15 mm × 11 mm。

小心陀螺儀漂移，高精度機器人的“致命傷”
大多數(shù)陀螺儀，包括 ADXRS450 和 ADIS16448 IMU 中的陀螺儀，產(chǎn)生一個輸出，單位是度/秒。這是在特定時間單位t內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率的度量。數(shù)值越大，機器人旋轉(zhuǎn)得越快。因為陀螺儀不會簡單地輸出機器人已旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，它會在給定的時間段內(nèi)讀取數(shù)百個讀數(shù)，如下圖中的紫色、紅色、綠色線條所示。

如果我們將這些讀數(shù)加在一起，則最終會得到在設(shè)定時間段內(nèi)（下例中為1秒）發(fā)生的實際角度變化。這個數(shù)學計算在 WPI 庫中完成的?；?qū)?IMU 來說，則是在代碼中完成的。當首次啟動機器人時，機器人放置的方向?qū)⒈辉O(shè)置為0度。然而，由于沒有任何陀螺儀是十全十美的，所以這個方向會隨時間而漂移。?
那么我們實際方向的角度如何獲得？必須得將每個采樣加起來。隨時間推移，每個獨立讀數(shù)中的每個小誤差都會累加起來。這些誤差可能來自任何數(shù)目的不同內(nèi)部和外部來源。對這種漂移影響最大的因素是陀螺儀的偏置穩(wěn)定度規(guī)格，這是衡量陀螺儀在長時間段內(nèi)測量結(jié)果穩(wěn)定性的一個指標。如果將機器人開啟一個小時并且不移動它，陀螺儀在一個小時結(jié)束時讀取的數(shù)值將不可能是零。

何況測量總會存在誤差，陀螺儀自身的誤差產(chǎn)生也來源于各種外力干擾和溫度變化。誤差會導致用陀螺儀修正過的機器人在工作時左右擺動，走不出平滑的線，或者靜止時會慢慢地自旋，這就是漂移現(xiàn)象。當然，這點誤差對于地面機器人的影響可能不大，但是對于無人機或者其他精度要求超高的機器人來說，稍微有點偏差都很致命。?
幾種可行辦法，解決誤差“傷害”
由溫度導致的飄移簡稱溫漂，屬于無法避免的靜態(tài)誤差，主要原因是內(nèi)部測量器件會隨著溫度的變化而變化，一般有兩種方法解決：
1、? 硬件式：在陀螺儀旁邊加一個大電阻進行加熱，強制陀螺儀達到某一個溫度，就可以保持恒溫狀態(tài)；
2、? 軟件式：先測量不同溫度下的溫漂情況，然后進行擬合和補償，也就是溫漂標定，使陀螺儀在不同的溫度下有不同的擬合和補償。
其它因素誤差：
除了測量相對角度，還有傳感器可以測量絕對角度（參考系設(shè)為大地坐標系）。我們可以用絕對角度和相對角度進行互補來矯正角度。
另一種傳感器就可以幫助我們，它叫地磁計，相當于電子式的指南針，可以指出地磁場的方向。這種傳感器測量的是自己與地磁場的角度，也就是絕對角度。

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如上圖的ADIS16448?iSensor是一款完整的慣性系統(tǒng)，內(nèi)置一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和壓力傳感器。每個傳感器都實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的iMEMS技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動態(tài)性能。工廠校準為每個傳感器提供靈敏度、偏置、對準和線性加速度（陀螺儀偏置）特性。因此，各傳感器也都有其自己的動態(tài)補償公式，可提供精確的傳感器測量，能夠?qū)⒄`差極大消減。?
與復雜且昂貴的分立設(shè)計方案相比，ADIS16448為精確的多軸慣性檢測與工業(yè)系統(tǒng)的集成提供了簡單而高效的方法。所有必需的運動測試及校準都是工廠生產(chǎn)過程的一部分，大大縮短了系統(tǒng)集成時間。?
結(jié)語
ADI公司的iSensor MEMS 慣性測量單元 (IMU) 傳感器以多軸方式組合精密陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器。慣性測量單元傳感器即便是在極為復雜的應(yīng)用和動態(tài)環(huán)境下，ADI的技術(shù)也能可靠地檢測并處理多個自由度(DoF)。這些即插即用型解決方案包括完整的出廠校準、嵌入式補償和傳感器處理以及簡單的可編程接口。在機器人動態(tài)平衡方向，ADI將憑借自己幾十年成熟的系統(tǒng)級技術(shù)，不斷突破技術(shù)創(chuàng)新，致力超越一切可能！