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

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而在RoboMaster機(jī)甲大師賽中采用的ADIMEMS陀螺儀（微機(jī)械陀螺儀）就利用了這個(gè)原理測(cè)量旋轉(zhuǎn)度（即角速度）。MEMS陀螺儀在測(cè)得角速度之后，再將其進(jìn)行積分就可以得到相對(duì)角度（此時(shí)主要是通過(guò)參考自身的某一狀態(tài)，比如剛啟動(dòng)時(shí)的狀態(tài)），最后再通過(guò)PID理論修正角度，從而達(dá)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(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速計(jì)。ADIS16470 中的每個(gè)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(dòng)態(tài)性能的信號(hào)調(diào)節(jié)功能。工廠校準(zhǔn)可表現(xiàn)每個(gè)傳感器的靈敏度、偏置、對(duì)準(zhǔn)和線性加速（陀螺儀偏置）特性。因此，每個(gè)傳感器都有其自己的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，用以提供準(zhǔn)確的傳感器測(cè)量。?
ADIS16470 能夠提供了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的方法，用于將精確的多軸慣性測(cè)量技術(shù)集成到工業(yè)系統(tǒng)中，尤其是在與離散設(shè)計(jì)所涉及的復(fù)雜性和投資進(jìn)行比較時(shí)。所有必要的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和校準(zhǔn)均已在工廠生產(chǎn)過(guò)程中完成，大大縮短了系統(tǒng)集成時(shí)間。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，緊密的正交對(duì)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了慣性坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)。SPI 和寄存器結(jié)構(gòu)設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)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(jī)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(gè)輸出，單位是度/秒。這是在特定時(shí)間單位t內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率的度量。數(shù)值越大，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)得越快。因?yàn)橥勇輧x不會(huì)簡(jiǎn)單地輸出機(jī)器人已旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，它會(huì)在給定的時(shí)間段內(nèi)讀取數(shù)百個(gè)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(huì)得到在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)（下例中為1秒）發(fā)生的實(shí)際角度變化。這個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算在 WPI 庫(kù)中完成的。或?qū)?IMU 來(lái)說(shuō)，則是在代碼中完成的。當(dāng)首次啟動(dòng)機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人放置的方向?qū)⒈辉O(shè)置為0度。然而，由于沒(méi)有任何陀螺儀是十全十美的，所以這個(gè)方向會(huì)隨時(shí)間而漂移。?
那么我們實(shí)際方向的角度如何獲得？必須得將每個(gè)采樣加起來(lái)。隨時(shí)間推移，每個(gè)獨(dú)立讀數(shù)中的每個(gè)小誤差都會(huì)累加起來(lái)。這些誤差可能來(lái)自任何數(shù)目的不同內(nèi)部和外部來(lái)源。對(duì)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(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)。如果將機(jī)器人開(kāi)啟一個(gè)小時(shí)并且不移動(dòng)它，陀螺儀在一個(gè)小時(shí)結(jié)束時(shí)讀取的數(shù)值將不可能是零。

何況測(cè)量總會(huì)存在誤差，陀螺儀自身的誤差產(chǎn)生也來(lái)源于各種外力干擾和溫度變化。誤差會(huì)導(dǎo)致用陀螺儀修正過(guò)的機(jī)器人在工作時(shí)左右擺動(dòng)，走不出平滑的線，或者靜止時(shí)會(huì)慢慢地自旋，這就是漂移現(xiàn)象。當(dāng)然，這點(diǎn)誤差對(duì)于地面機(jī)器人的影響可能不大，但是對(duì)于無(wú)人機(jī)或者其他精度要求超高的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，稍微有點(diǎn)偏差都很致命。?
幾種可行辦法，解決誤差“傷害”
由溫度導(dǎo)致的飄移簡(jiǎn)稱溫漂，屬于無(wú)法避免的靜態(tài)誤差，主要原因是內(nèi)部測(cè)量器件會(huì)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(gè)大電阻進(jìn)行加熱，強(qiáng)制陀螺儀達(dá)到某一個(gè)溫度，就可以保持恒溫狀態(tài)；
2、? 軟件式：先測(cè)量不同溫度下的溫漂情況，然后進(jìn)行擬合和補(bǔ)償，也就是溫漂標(biāo)定，使陀螺儀在不同的溫度下有不同的擬合和補(bǔ)償。
其它因素誤差：
除了測(cè)量相對(duì)角度，還有傳感器可以測(cè)量絕對(duì)角度（參考系設(shè)為大地坐標(biāo)系）。我們可以用絕對(duì)角度和相對(duì)角度進(jìn)行互補(bǔ)來(lái)矯正角度。
另一種傳感器就可以幫助我們，它叫地磁計(jì)，相當(dāng)于電子式的指南針，可以指出地磁場(chǎng)的方向。這種傳感器測(cè)量的是自己與地磁場(chǎng)的角度，也就是絕對(duì)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(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)和壓力傳感器。每個(gè)傳感器都實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的iMEMS技術(shù)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動(dòng)態(tài)性能。工廠校準(zhǔn)為每個(gè)傳感器提供靈敏度、偏置、對(duì)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，可提供精確的傳感器測(cè)量，能夠?qū)⒄`差極大消減。?
與復(fù)雜且昂貴的分立設(shè)計(jì)方案相比，ADIS16448為精確的多軸慣性檢測(cè)與工業(yè)系統(tǒng)的集成提供了簡(jiǎn)單而高效的方法。所有必需的運(yùn)動(dòng)測(cè)試及校準(zhǔn)都是工廠生產(chǎn)過(guò)程的一部分，大大縮短了系統(tǒng)集成時(shí)間。?
結(jié)語(yǔ)
ADI公司的iSensor MEMS 慣性測(cè)量單元 (IMU) 傳感器以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。慣性測(cè)量單元傳感器即便是在極為復(fù)雜的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)環(huán)境下，ADI的技術(shù)也能可靠地檢測(cè)并處理多個(gè)自由度(DoF)。這些即插即用型解決方案包括完整的出廠校準(zhǔn)、嵌入式補(bǔ)償和傳感器處理以及簡(jiǎn)單的可編程接口。在機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡方向，ADI將憑借自己幾十年成熟的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)，不斷突破技術(shù)創(chuàng)新，致力超越一切可能！