記得三個月前，朋友圈被來自無數公眾號發布的動力機器人“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展的今天，有多少人知道曾經的“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，這種穩定行走已經是大學生機器人設計的基本要求，比如參賽隊香港科技大學ENTERPRIZE戰隊和哈爾濱工業大學I Hilter戰隊均采用了ADI公司的陀螺儀確保運動的穩定性。
早期不成熟機器人走直線的結果是歪歪曲曲的，只因它在行進過程中的各種擾動使得其發生了繞著垂直于地面方向的旋轉。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量，然后再通過在系統中不停地加入計算結果，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，這種穩定行走已經是大學生機器人設計基本的要求，比如參賽隊香港科技大學ENTERPRIZE戰隊和哈爾濱工業大學I Hilter戰隊均采用ADI公司的陀螺儀確保運動的穩定性。

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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，比如剛啟動時的狀態），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，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合了行業領先的 iMEMS技術和可優化動態性能的信號調節功能。工廠校準可表現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、經濟高效的方法，用于將精確的多軸慣性測量技術集成到工業系統中，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，大大縮短了系統集成時間。在導航系統中，緊密的正交對準簡化了慣性坐標系對準。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。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”
大多數陀螺儀，包括 ADXRS450 和 ADIS16448 IMU 中的陀螺儀，產生一個輸出，單位是度/秒。這是在特定時間單位t內旋轉速率的度量。數值越大，機器人旋轉得越快。因為陀螺儀不會簡單地輸出機器人已旋轉的度數，它會在給定的時間段內讀取數百個讀數，如下圖中的紫色、紅色、綠色線條所示。

如果我們將這些讀數加在一起，則最終會得到在設定時間段內（下例中為1秒）發生的實際角度變化。這個數學計算在 WPI 庫中完成的?；驅?IMU 來說，則是在代碼中完成的。當首次啟動機器人時，機器人放置的方向將被設置為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，每個獨立讀數中的每個小誤差都會累加起來。這些誤差可能來自任何數目的不同內部和外部來源。對這種漂移影響最大的因素是陀螺儀的偏置穩定度規格，這是衡量陀螺儀在長時間段內測量結果穩定性的一個指標。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束時讀取的數值將不可能是零。

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誤差，主要原因是內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；
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，內置一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和壓力傳感器。每個傳感器都實現了業界領先的iMEMS技術與信號調理技術的完美結合，可提供優化的動態性能。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補償公式，可提供精確的傳感器測量，能夠將誤差極大消減。?
與復雜且昂貴的分立設計方案相比，ADIS16448為精確的多軸慣性檢測與工業系統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過程的一部分，大大縮短了系統集成時間。?
結語
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用和動態環境下，ADI的技術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。在機器人動態平衡方向，ADI將憑借自己幾十年成熟的系統級技術，不斷突破技術創新，致力超越一切可能！