提升運(yùn)控檢測，這些IMU引領(lǐng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)技術(shù)革新

IMU一直都是MEMS領(lǐng)域中極為重要的一類產(chǎn)品，不管是在消費(fèi)電子、汽車電子還是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用。目前以IMU為主的組合傳感器發(fā)展非常迅速，且不說在消費(fèi)類電子市場上各家競爭激烈，在工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)控這個(gè)離不開IMU的應(yīng)用里各家也都在推陳出新。

消費(fèi)電子和經(jīng)濟(jì)趨勢正向高靈活性、高生產(chǎn)率和高效率發(fā)展，這種發(fā)展趨勢對(duì)制造業(yè)施加了混合型、小批量以及按需生產(chǎn)的壓力。想要完成這一只要目標(biāo)，制造業(yè)中的自動(dòng)化設(shè)備是重中之重?，F(xiàn)如今智能機(jī)器人和協(xié)作式機(jī)器人的確也變得越來越人性化，更具生產(chǎn)力，更智能，并且能夠更好地定位，以承擔(dān)起這些復(fù)雜的任務(wù)。機(jī)器人的定位，從來都離不開IMU，可以說IMU決定了機(jī)器人整體里程計(jì)的精度。那引領(lǐng)了機(jī)器人技術(shù)革新的又是哪些性能卓越的IMU呢？

ADI iSensor MEMS IMU

iSensor IMU以常見的多軸方式組合精密陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和壓力傳感器，但常見的方式也做出了不常見的效果。iSensor IMU在極為復(fù)雜的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)環(huán)境下，依靠專業(yè)的技術(shù)也能可靠地檢測并處理多個(gè)自由度。大多數(shù)運(yùn)動(dòng)傳感器可以在一個(gè)受控的環(huán)境中提供中等水平的精度，但很少有技術(shù)能夠在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境條件下提供高水平的精度。


（圖源：ADI）

iSensor系列有很多精密微型IMU，在機(jī)器人應(yīng)用上備受廠商推崇的應(yīng)該是ADIS16467這個(gè)型號(hào)。首先這個(gè)系列足夠簡單，同時(shí)性價(jià)比極高，能將精確的多軸慣性測量技術(shù)集成到工業(yè)系統(tǒng)中，極大地減少了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

ADIS16467組合了一個(gè)3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，每個(gè)慣性傳感器都結(jié)合了信號(hào)調(diào)節(jié)功能以優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能，可以在各種條件下提供準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。這聽起來好像很簡單，但正如前面說的，很少有技術(shù)能夠在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境條件下提供高水平的精度。技術(shù)的豐富性遠(yuǎn)不止這些，系列里所用地專有四核MEMS陀螺儀技術(shù)能直接抑制傳感元件的g效應(yīng)偏置影響，而且不需要復(fù)雜和昂貴的封裝抑制。同時(shí)iSensor系列實(shí)現(xiàn)了固有的穩(wěn)定線性——這是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)仍然能減少成本、功率和尺寸影響。

眾所周知ADI的信號(hào)處理實(shí)力在全球范圍內(nèi)都是數(shù)一數(shù)二的，這個(gè)優(yōu)勢也被iSensor系列利用起來。利用這些信號(hào)處理專業(yè)知識(shí)，所有傳感器被優(yōu)化地組合起來，來保持最大的帶寬和相位匹配，即便是在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中依然能保持此性能。如果從具體的性能指標(biāo)來看，我們依然以ADIS16467為例，陀螺儀在所有動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都能提供2°/hr的運(yùn)行偏置穩(wěn)定性，角度隨機(jī)游走僅為0.15，加速度計(jì)的穩(wěn)定性也有13μg的保障。從設(shè)計(jì)到性能，這個(gè)系列都可以說狠狠地革新了一波機(jī)器人IMU應(yīng)用。

BOSCH BMI MEMS IMU

BOSCH的IMU在消費(fèi)級(jí)市場有多叱咤風(fēng)云想必不用多說了，作為IMU行業(yè)的資深玩家，在機(jī)器人應(yīng)用上，BOSCH的BMI系列也助推了機(jī)器人應(yīng)用的發(fā)展。


（圖源：BOSCH）

上圖的BMI088，是BOSCH首推的機(jī)器人應(yīng)用IMU，BMI088由一個(gè)16位數(shù)字三軸加速度計(jì)和一個(gè)16位數(shù)字三軸陀螺儀組成，這個(gè)系列在抵抗惡劣環(huán)境上尤為出眾。高抗振性以及高溫度穩(wěn)定性能讓IMU在惡劣的環(huán)境中依然保持極高性能。

BMI088加速度測量范圍很廣，最高可達(dá)24g，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，配置的加速度計(jì)都能提供高振動(dòng)抑制比和振動(dòng)魯棒性。加速度計(jì)的極低噪聲支持該器件以高精度來跟蹤設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。而BMI088配置的陀螺儀具有小于2°/h的偏置穩(wěn)定性，另外低溫偏移系數(shù)（TCO）同樣低于15mdps/K。

這個(gè)系列的高魯棒性給機(jī)器人設(shè)計(jì)帶來了更自有的設(shè)計(jì)空間，還能從系統(tǒng)層面降低成本。所以國內(nèi)不少工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器廠商都選擇配置這個(gè)系列。

ST iNEMO MEMS IMU

ST也是IMU的老玩家了， iNEMO這個(gè)系列會(huì)讓人有耳目一新的感覺，什么高精度高抗震動(dòng)這個(gè)系列當(dāng)然也是行業(yè)頂級(jí)，但是最頂級(jí)的，還是這個(gè)系列沒人能比得過的低功耗。對(duì)，沒人比得過的低功耗，同類產(chǎn)品中這個(gè)系列的功耗永遠(yuǎn)是最佳的。


（圖源：ST）

工業(yè)應(yīng)用里ISM330DLC是這個(gè)系列應(yīng)用較多的IMU，配置了3軸的加速度計(jì)和3軸陀螺儀。加速度計(jì)滿量程最高覆蓋16g，陀螺儀覆蓋2000dps。另外配置了專用陀螺儀輸出鏈，具有低延遲、低噪聲和專用的低通濾波器，用于確?？刂苹芈贩€(wěn)定，再以SPI輔助串行接口為陀螺儀和加速度計(jì)提供獨(dú)立的低噪聲低延遲數(shù)據(jù)輸出。其他測量性能直接略過，直接看功耗。

ISM330DLC正常組合模式下為5 mA，高性能組合模式下為0.75 mA。換個(gè)角度想，再工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，這種極低的功耗也說明了器件能長時(shí)間為高性能模式提供高精確度和穩(wěn)定性。在系統(tǒng)層面上，ST也繼續(xù)給節(jié)電做了加法。ST在iNEMO 慣性模塊中內(nèi)嵌了機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核，該MLC能夠運(yùn)行一個(gè)傳感器內(nèi)置的分類引擎，通過卸載主處理器的負(fù)荷以運(yùn)行不同的任務(wù)。從細(xì)節(jié)到整體層面，在保證需求精度的前提下，這個(gè)系列為IMU機(jī)器人應(yīng)用做到極致的低功耗革新。

TDK InvenSense IMU

TDK在收購InvenSense后，其在IMU領(lǐng)域不管是技術(shù)能力還是產(chǎn)品組合都是有著深厚實(shí)力的代表。


（圖源：TDK）

以InvenSense六軸IMU系列為例，一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)位于同一個(gè)硅片上，在噪聲水平上，這個(gè)系列極低，在溫度耐受上，這個(gè)系列極穩(wěn)定，在靈敏度上，這個(gè)系列極高。InvenSense IMU在相對(duì)精度、傳感器吞吐量上絕對(duì)是排頭兵。

以應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域的型號(hào)來看，這個(gè)系列很突出的一點(diǎn)就是它的噪聲密度水平。陀螺儀0.0028dps/Hz的噪聲密度水平在機(jī)器人應(yīng)用上是絕對(duì)具有吸引力的，加速度計(jì)的噪聲密度也保持在了75dps/Hz左右，這兩項(xiàng)關(guān)鍵的指標(biāo)說明了該IMU能為機(jī)器人路徑規(guī)劃提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

值得一提的是與InvenSense IMU配合的InvenSense MotionApps平臺(tái)能使用結(jié)構(gòu)化的API使基于運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性同步降低。

小結(jié)

這些性能卓越的，獨(dú)樹一幟特色鮮明的IMU很大程度上推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為更智能化的機(jī)器人未來提供了足夠強(qiáng)大的上游支持。