慣導(dǎo)與自主移動(dòng)機(jī)器人

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）對(duì)具有移動(dòng)功能的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，導(dǎo)航是一直不會(huì)過(guò)時(shí)的熱點(diǎn)。與帶有自動(dòng)駕駛功能的汽車相比，機(jī)器人的自動(dòng)駕駛自主導(dǎo)航受限于本體的體積和成本，運(yùn)用在其上的傳感器既要控制體積也要控制成本。

移動(dòng)機(jī)器人在路徑規(guī)劃導(dǎo)航上主要流派有視覺(jué)V-SLAM和激光雷達(dá)LiDAR-SLAM，二者構(gòu)建虛擬地圖為機(jī)器人提供導(dǎo)航。但是單純的SLAM技術(shù)并不足以滿足導(dǎo)航定位的要求，舉個(gè)很簡(jiǎn)單例子，沒(méi)有IMU僅使用SLAM的情況下，一旦機(jī)器人不從建圖原點(diǎn)啟動(dòng)，那么機(jī)器人會(huì)丟失定位，需要沿隨機(jī)方向移動(dòng)追蹤大量地圖標(biāo)記來(lái)重新定位自己處在地圖中的具體位置。

IMU，讓機(jī)器人找到定位

作為能夠自主導(dǎo)航的機(jī)器人，機(jī)器人必須實(shí)時(shí)知曉自己的位置，即便不是每次任務(wù)都在地圖坐標(biāo)原點(diǎn)啟動(dòng)。在移動(dòng)機(jī)器人測(cè)算自己位置的時(shí)候，離不開(kāi)絕對(duì)角度這個(gè)值，這個(gè)值由IMU提供。

可以說(shuō)機(jī)器人整體里程計(jì)的精度，機(jī)器人能否在任何情況下靈活地完成位置定位，和IMU有著莫大的關(guān)系。即便不使用SLAM技術(shù)，也需要使用航位推算法來(lái)定位和導(dǎo)航，即通過(guò)測(cè)量車輪旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合IMU的慣性測(cè)量值和ToF傳感器的物體檢測(cè)完成定位。

IMU在機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性可見(jiàn)一斑。融合IMU成了V-SLAM方案和激光SLAM方案補(bǔ)足自身定位缺點(diǎn)的有效手段，精準(zhǔn)定位和運(yùn)動(dòng)精度是實(shí)現(xiàn)高效自主移動(dòng)的關(guān)鍵，IMU提供的反饋檢測(cè)機(jī)制，對(duì)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。

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(lái)輔助機(jī)器運(yùn)動(dòng)。這些六軸運(yùn)動(dòng)傳感器從線性和旋轉(zhuǎn)角度獲取機(jī)器人的滾動(dòng)、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，然后結(jié)合動(dòng)作和房間地圖，就能精確定位，即使不從地圖原點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人也能快速知曉所處真實(shí)空間中的位置。

一個(gè)基于IMU的慣導(dǎo)定位流程并不復(fù)雜，從采集加速度計(jì)和陀螺儀的多組數(shù)據(jù)開(kāi)始，慣導(dǎo)首先通過(guò)計(jì)算四元數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣確定姿態(tài)角是否發(fā)生變化（如果四元數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣有變化會(huì)涉及使用卡爾曼濾波計(jì)算最優(yōu)的姿態(tài)角），然后計(jì)算出導(dǎo)航坐標(biāo)系中的三維加速度，三維線速度，再計(jì)算出三維位置最后輸出位姿信息。慣導(dǎo)的引入為改善整體導(dǎo)航系統(tǒng)方向估算和總體精度提供了很高效的方法。

機(jī)器人慣導(dǎo)如何發(fā)展

上面提到，基于IMU的慣導(dǎo)發(fā)展至今不僅僅只有加速度傳感器、陀螺儀，更多的傳感被集成了進(jìn)來(lái)。其中原因之一，是隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，單一傳感肯定沒(méi)辦法滿足越來(lái)越精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位需求，融合傳感是大趨勢(shì)。其二，IMU雖然在多自由度的運(yùn)動(dòng)捕捉上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但I(xiàn)MU獨(dú)有的自恃性，意味著它自身并不能很好地解決漂移、噪聲以及零偏不穩(wěn)定性。

很多傳感都可以與慣導(dǎo)進(jìn)行融合，上面說(shuō)到的集成磁傳感是一種可行的方案，主要是為了配合IMU進(jìn)行目標(biāo)姿態(tài)信息的獲取。磁傳感為導(dǎo)航提供坐標(biāo)系，機(jī)器人可以通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)周圍磁場(chǎng)的相對(duì)變化，以此來(lái)判斷目標(biāo)的經(jīng)過(guò)和通過(guò)，完成目標(biāo)檢測(cè)。這種融合方案體積不大、成本也不高，具體的導(dǎo)航精準(zhǔn)度視融合后器件的關(guān)鍵參數(shù)以及算法而定。與GNSS的融合強(qiáng)化的則是高精度GNSS在丟失觀測(cè)目標(biāo)后的定位，讓動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置不再丟失。這種融合主要針對(duì)室外阻擋物很多的位置檢測(cè)應(yīng)用。

不管是否融合，傳感器本身的參數(shù)是導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)。靈敏度誤差，靈敏度溫度系數(shù)、零速率偏移量、零速率偏移溫度系數(shù)、噪聲密度這些是最基本也最重要的考量。靈敏度誤差和噪聲密度不用多說(shuō)，不僅在機(jī)器人應(yīng)用，在任何傳感器應(yīng)用中這都是決定性的參數(shù)。在環(huán)境溫度變化很大的應(yīng)用中，靈敏度溫度系數(shù)和零速率偏移溫度系數(shù)也決定了器件是否合適。

器件本身的參數(shù)再優(yōu)秀也要算法提供了盡可能多的支持。IMU的偏置即便能準(zhǔn)確測(cè)量也很難取消，再加上噪聲，會(huì)使導(dǎo)航距離開(kāi)始漂移。不做算法優(yōu)化的情況下，慣導(dǎo)底層傳感器的零漂1個(gè)小時(shí)通常都會(huì)超過(guò)10°，然后隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的累積誤差會(huì)很快發(fā)散。結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模式給系統(tǒng)更多的算法規(guī)則能夠大幅度優(yōu)化慣導(dǎo)系統(tǒng)的累計(jì)誤差，這也是做慣導(dǎo)、做移動(dòng)機(jī)器人整體導(dǎo)航的公司核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。傳感器硬件層面能拉開(kāi)很大差距，算法層面也可以拉開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)外廠商機(jī)器人IMU應(yīng)用

我們把目光拉回硬件，看一看國(guó)內(nèi)外IMU廠商在機(jī)器人應(yīng)用的硬件實(shí)力。

深迪半導(dǎo)體

深迪的SH3011、SH3001、SH2100偏消費(fèi)類應(yīng)用。工業(yè)和汽車級(jí)推的是IMU445多軸融合慣性測(cè)量模塊，適用于典型的機(jī)器人應(yīng)用。IMU 445作為一個(gè)完整的慣性系統(tǒng)，包含三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)，還結(jié)合了深迪自研的算法，提供優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能完成多軸慣性傳感。

IMU445陀螺儀動(dòng)態(tài)范圍±250dp，初始靈敏度0.015dps/LSB，初始偏移誤差±0.5dps，零偏不穩(wěn)定性0.0028dps；加速度計(jì)動(dòng)態(tài)范圍±4g，初始靈敏度0.12mg/LSB，初始偏移誤差±10mg，零偏不穩(wěn)定性0.5 mg。

新納傳感

新納傳感的慣性系統(tǒng)組合很豐富，從三重冗余6 DOF IMU到嵌入式多軸慣性測(cè)量系統(tǒng)到集成GNSS的慣導(dǎo)都有相應(yīng)的產(chǎn)品布局，旗下產(chǎn)品目前主打汽車級(jí)應(yīng)用，所以用在機(jī)器人上也綽綽有余。
這里挑選的是OpenIMU330B，特點(diǎn)很鮮明的帶三重冗余的6 DOF IMU。陀螺儀范圍±400 deg/sec，零偏穩(wěn)定性1.5 deg/hr，帶寬5-50Hz，溫度誤差不超過(guò)0.3 deg/sec；加速度范圍8 g，帶寬5-50Hz。

TDK

作為在機(jī)器人應(yīng)用里相當(dāng)出名的IMU廠商，TDK的IMU產(chǎn)品線非常豐富，從6軸IMU、進(jìn)一步組合氣壓傳感器的7軸IMU、組合3軸羅盤的9軸IMU等一應(yīng)俱全。在機(jī)器人應(yīng)用里，TDK主推的是ICM-42688-P，針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)追蹤應(yīng)用的高性能6軸IMU。

陀螺儀噪聲和加速度計(jì)的噪聲分別為2.8mdps/√Hz和70μg/√Hz，靈敏度誤差二者都在±0.5%水平。陀螺儀零速率偏移量±0.5dps，加速度計(jì)零加速度偏移量±40mg，均為車載水平。

博世

博世在消費(fèi)類IMU領(lǐng)域是行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，旗下BMI系列IMU已經(jīng)從BMI055到BMI270迭代了多個(gè)版本，適用于多種不同應(yīng)用場(chǎng)景。在機(jī)器人應(yīng)用上也有專門的系列，BMI088高性能慣性測(cè)量單元就是針對(duì)無(wú)人機(jī)與機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)的6軸傳感器。

BMI088在3×4.5×0.95mm³的小尺寸LGA封裝中集成了16位陀螺儀與16位加速度計(jì)，系列采用的陀螺儀技術(shù)和低TCO加速度計(jì)設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)車規(guī)級(jí)驗(yàn)證的，偏置穩(wěn)定性低于2°/h，TCO低于15mdps/K。加速度計(jì)在±24g的寬測(cè)量范圍里頻譜噪聲不超過(guò)230μg/√Hz。在高振動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境里BMI088也能進(jìn)行精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)向與定位。

ST

ST的iNEMO慣性模塊將互補(bǔ)傳感器集成在緊湊、堅(jiān)固且易于組裝的IMU中。在20個(gè)料號(hào)中不算適配汽車級(jí)應(yīng)用的，適合機(jī)器人應(yīng)用的是ISM330DLC以及ISM330DHCX。二者作為系統(tǒng)級(jí)封裝器件，不管是工藝還是封裝，都保持了出色穩(wěn)定性。

ISM330DLC陀螺儀噪聲密度在3.8mdps/√Hz，加速度計(jì)噪聲75μg/√Hz，ISM330DHCX陀螺儀噪聲密度在5mdps/√Hz，加速度計(jì)噪聲60μg/√Hz。ISM330DHCX額外在IMU中內(nèi)嵌了機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核，卸載主處理器的負(fù)荷以及或者節(jié)省功耗。

小結(jié)

機(jī)器人導(dǎo)航定位不是一種傳感就能完美覆蓋的，必須根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的精度來(lái)選擇合適的傳感。慣導(dǎo)只是其中不可或缺的一部分，IMU的靈敏度誤差與噪聲密度很大程度上影響了整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度。高質(zhì)量的IMU融合其他傳感器，可以顯著縮小定位上的不確定性差距。