機(jī)器人、無人機(jī)是怎么知道自己的姿態(tài)的？揭秘 IMU 的關(guān)鍵參數(shù)

2025-07-20 10:07:26　來源: EETOP半導(dǎo)體社區(qū)

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當(dāng)機(jī)器人在地面行走、無人機(jī)在空中懸停、機(jī)械臂精準(zhǔn)抓取時，它們?nèi)绾螌崟r感知自己的姿態(tài)？答案藏在一個不起眼卻至關(guān)重要的部件里 ——IMU（慣性測量單元）。作為機(jī)器人的 “內(nèi)耳”，IMU 通過陀螺儀和加速度計捕捉運(yùn)動狀態(tài)，而其性能的優(yōu)劣，全靠一系列關(guān)鍵參數(shù)來定義。

注：人的內(nèi)耳是耳朵最深部的結(jié)構(gòu)，隱藏在顳骨巖部內(nèi)，由一系列復(fù)雜的管道和腔隙組成，主要功能是感知聲音和維持身體平衡，被稱為 “聽覺和平衡覺的核心”。它雖體積小巧（僅約 5 毫米 ×9 毫米），但結(jié)構(gòu)精密，分為骨迷路和膜迷路兩部分，兩者之間充滿液體（外淋巴），膜迷路內(nèi)部則充滿內(nèi)淋巴，形成獨(dú)特的液體環(huán)境以傳遞信號。

正常情況下，前庭系統(tǒng)（內(nèi)耳）、視覺系統(tǒng)（眼睛）和軀體感覺系統(tǒng)（皮膚、肌肉）會向大腦傳遞一致的運(yùn)動信息。例如：

坐車時，眼睛看到窗外景物后退，內(nèi)耳感知到車輛的直線 / 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，身體也感受到座椅的支撐力變化，三者信號統(tǒng)一，大腦能準(zhǔn)確判斷 “正在運(yùn)動”，身體適應(yīng)良好。

但暈車時，這種信號一致性被打破了：

比如坐在封閉車廂內(nèi)看手機(jī)，視覺系統(tǒng)會告訴大腦 “身體靜止”（因為手機(jī)或車內(nèi)景物相對靜止）；
但內(nèi)耳的前庭系統(tǒng)卻能感知到車輛的顛簸、轉(zhuǎn)彎、加速等運(yùn)動，向大腦傳遞 “正在運(yùn)動” 的信號；
兩種矛盾的信號被送入大腦，大腦無法統(tǒng)一判斷身體狀態(tài)，就會觸發(fā) “異常警報”—— 這種沖突被解讀為 “可能中毒”（進(jìn)化中，感官混亂常與毒素致幻相關(guān)），進(jìn)而引發(fā)惡心、嘔吐、頭暈等暈車癥狀。

兒童和女性更容易暈車，部分原因是他們的前庭系統(tǒng)更敏感，對信號沖突更難耐受；此外，睡眠不足、疲勞、氣味刺激等也會加重這種不適。

如果我們把攝像頭、深度相機(jī)、雷達(dá)比作機(jī)器人、無人機(jī)的眼睛的話，那么IMU這個“器官”比喻成“內(nèi)耳”再貼切不過了。

IMU全稱是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，主要元件有陀螺儀、加速度計和磁力計。其中陀螺儀可以得到各個軸的加速度，而加速度計能得到x，y，z方向的加速度，而磁力計能獲得周圍磁場的信息。主要的工作便是將三個傳感器的數(shù)據(jù)融合得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。

a）陀螺儀

陀螺儀是通過測量科氏力來檢測角速度的，科氏力在大學(xué)物理中提到過，如圖

若圓盤逆時針旋轉(zhuǎn)，你在盤心向邊緣沿半徑勻速直線扔出一個球。
靜止觀察者
看到：球沿直線飛出（藍(lán)色路徑）。
圓盤上的觀察者
看到：球的軌跡向右彎曲（紅色路徑）→ 仿佛有“無形之力”拉動它。
→這個虛擬力就是科氏力！

科氏力公式：

( m )：物體質(zhì)量
( ω )：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角速度矢量
( v)：物體在旋轉(zhuǎn)系中的速度矢量
“×” 表示矢量叉乘 → 力方向垂直于運(yùn)動平面！

一個物體以固定的線速度v運(yùn)動，同時受到一個角速度的影響，這時候在叉乘方向會有一個科氏力的作用，測量這個力便能知到角速度W的大小。

在實際的MEME傳感器中，大致結(jié)構(gòu)如圖，在一個方向保持左右運(yùn)動，若有旋轉(zhuǎn)的角速度則會在垂直的方向產(chǎn)生科氏力，通過電容的變化來反映這個力的大小便能得到旋轉(zhuǎn)速度的大小。

a）加速度計

加速度計的原理較為簡單，就是通過牛頓第二定律來測量三軸的加速度，圖中的質(zhì)量塊受到加速度的作用會左右運(yùn)動，而兩側(cè)的電容能測量質(zhì)量塊的位置從而計算出加速度的大小。

a）磁力計

磁力計則是通過霍爾效應(yīng)來測量磁場的強(qiáng)度，高中物理中學(xué)過霍爾效應(yīng)也很簡單，如圖。一端通電，在磁場的作用下電子會往垂直的方向上跑從而在側(cè)面產(chǎn)生電場，通過測量這個電場的強(qiáng)度及正負(fù)則能間接測量出場強(qiáng)的大小。

一般來說，無人機(jī)和機(jī)器人上的磁力計，是用來測量地磁的。用于機(jī)器人找得到“北”。

IMU：機(jī)器人的 “內(nèi)耳”

簡單來說，IMU 的核心功能是測量物體的角速度（陀螺儀）和線加速度（加速度計），再通過算法（如卡爾曼濾波、歐拉角解算）推算出姿態(tài)（如俯仰角、橫滾角、航向角）。無論是家庭掃地機(jī)器人避開障礙，還是工業(yè)機(jī)械臂保持軌跡精度，都離不開 IMU 的實時數(shù)據(jù)支持。

而一款 IMU 的 “好壞”，不能只看品牌，更要盯著參數(shù)表 —— 這些數(shù)字直接決定了它在噪聲控制、測量范圍、功耗等方面的表現(xiàn)。

關(guān)鍵參數(shù)解析：從性能到實用性

我們以 InvenSense（TDK）的 IMU 芯片為例，拆解 IMU 的核心參數(shù)及其對應(yīng)用的影響。

一、基礎(chǔ)硬件特性 1. FIFO（First In First Out）

定義
：芯片內(nèi)部的先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于臨時存儲傳感器數(shù)據(jù)。
作用
：當(dāng)主控處理器（如 MCU）處理數(shù)據(jù)速度較慢時，F(xiàn)IFO 可緩存多組傳感器數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失。例如，芯片以 1000Hz 采樣，但 MCU 只能以 200Hz 讀取數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO 可暫存 5 組數(shù)據(jù)。
典型值
：ICM-42688-P 的 FIFO 為 2KB，ICM-42670-P 為 2.25KB。

2. ADC（Analog-to-Digital Converter）

定義：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在IMU芯片內(nèi)部，還是需要用ADC對上述電容對應(yīng)的電壓值進(jìn)行采樣的。
關(guān)鍵指標(biāo)：位數(shù)（如 16bit）決定分辨率，16bit 可表示 65536 個離散值，量化誤差更小，精度更高。

3. 可編程數(shù)字濾波

定義：芯片內(nèi)置數(shù)字濾波器（如低通、高通），用戶可通過編程設(shè)置濾波參數(shù)。
作用：濾除特定頻率的噪聲。例如，設(shè)置低通濾波截止頻率為 50Hz，可抑制高于 50Hz 的高頻噪聲（如電機(jī)干擾）。

4. 溫度傳感器

作用：實時測量芯片內(nèi)部溫度，用于溫度補(bǔ)償（如校準(zhǔn)陀螺儀零偏隨溫度的漂移）。
精度要求：通常需 ±1°C 以內(nèi)，以保證補(bǔ)償效果。

5. 可編程中斷

定義：芯片可根據(jù)預(yù)設(shè)條件（如加速度超過閾值、FIFO 滿）主動向主控發(fā)送中斷信號。
應(yīng)用場景：低功耗場景中，僅在需要時喚醒主控，降低系統(tǒng)功耗。例如，運(yùn)動喚醒檢測（WoM）觸發(fā)中斷后，主控才開始處理數(shù)據(jù)。

6. IIC 接口 / SPI 接口

定義：兩種數(shù)字通信協(xié)議，用于芯片與主控間的數(shù)據(jù)傳輸。
- IIC：雙線制（SDA、SCL），適合短距離、低速通信（標(biāo)準(zhǔn)模式 100kbps，快速模式 400kbps）。
- SPI：四線制（MOSI、MISO、SCK、CS），速度更快（可達(dá)數(shù)十 Mbps），適合大數(shù)據(jù)量、高速傳輸。

當(dāng)前一些機(jī)器人、無人機(jī)、吊艙對IMU精度要求越來越高，更多選擇SPI接口的IMU芯片。

二、功耗與可靠性特性 7. 低噪聲模式 / 低功耗模式

低噪聲模式
：通過增加采樣次數(shù)或優(yōu)化電路設(shè)計降低噪聲，但功耗較高。例如，ICM-42688-P 六軸同時工作時典型電流 0.88mA。
低功耗模式
：降低采樣率或關(guān)閉部分電路以降低功耗。例如，ICM-42670-P 六軸同時工作時典型電流 0.55mA，睡眠模式僅 3.5μA。

8. 20000g 抗沖擊能力

定義
：芯片能承受 20000 倍重力加速度的沖擊而不損壞。
意義
：適應(yīng)惡劣環(huán)境（如工業(yè)振動、無人機(jī)碰撞），確保物理可靠性。

9. Self-test 自測試

功能
：芯片內(nèi)置測試電路，可自檢陀螺儀、加速度計是否正常工作。
應(yīng)用
：設(shè)備啟動時執(zhí)行自測試，快速排查傳感器故障（如零偏異常）。

10. WoM（Wake-on-Motion）運(yùn)動喚醒檢測

原理
：芯片持續(xù)監(jiān)測加速度，當(dāng)檢測到運(yùn)動（如振動、晃動）時，從低功耗模式喚醒主控。
典型應(yīng)用
：智能手表在用戶抬手時喚醒屏幕，降低待機(jī)功耗。

三、陀螺儀關(guān)鍵參數(shù)（角速度測量） 11. 可編程滿量程范圍（FSR）

定義
：陀螺儀能測量的最大角速度范圍，通常用 °/s 表示。
可選范圍
：例如 ICM-42688-P 支持 ±15.625~±2000°/s（8 檔可調(diào)）。
選擇原則
：高速運(yùn)動場景（如無人機(jī)）選大范圍（如 ±2000°/s），但靈敏度降低；靜態(tài)或低速場景（如傾角測量）選小范圍（如 ±15.625°/s），提高精度。

12. 靈敏度比例因子

定義
：單位角速度對應(yīng)的數(shù)字輸出值（LSB/°/s）。
計算公式
：例如 FSR 為 ±2000°/s 時，靈敏度為 16.4 LSB/°/s，則 1°/s 的角速度對應(yīng) 16.4 個數(shù)字量。
意義
：靈敏度越高，量化誤差越小，測量越精確。

13. 非線性度

定義
：實際輸出與理想直線的最大偏差百分比。
典型值
：±0.1%（如 ICM-42688-P 在 ±2g 量程下）。
影響
：非線性度越高，在大量程下誤差越大。

14. 交叉軸靈敏度

定義
：某軸輸入角速度時，其他軸的錯誤輸出比例。
典型值
：±1.25%（如 ICM-42688-P）。
影響
：交叉軸靈敏度越高，軸間干擾越大，姿態(tài)解算誤差越大。

15. 零速率輸出（ZRO）

定義
：靜止時陀螺儀的實際輸出與理論值（0°/s）的偏差。
參數(shù)
：包含初始公差（如 ±0.5°/s）和溫漂（如 ±0.005°/s/°C）。
影響
：ZRO 越大，靜態(tài)時的角速度測量誤差越大，長時間積分會導(dǎo)致姿態(tài)角累積誤差。

16. 速率噪聲譜密度

定義
：單位頻率下的噪聲強(qiáng)度，單位 mdps/√Hz（毫度每秒每根號赫茲）。
典型值
：例如 ICM-42688-P 在 10Hz 時為 2.8 mdps/√Hz。
意義
：噪聲譜密度越低，輸出越平滑，適合高精度應(yīng)用。

17. 總均方根噪聲（RMS 噪聲）

定義
：特定帶寬內(nèi)的噪聲有效值，單位 °/s-rms。
典型值
：例如 ICM-42688-P 在 100Hz 帶寬、800Hz 采樣率下為 0.07~0.14°/s-rms。
影響
：噪聲越大，角速度波動越明顯，需通過濾波算法平滑。

18. 機(jī)械頻率

定義
：陀螺儀內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振頻率。
典型值
：25~29kHz（如 ICM-42688-P）。
設(shè)計原則
：工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)械頻率，避免共振導(dǎo)致測量誤差。

19. 陀螺儀啟動時間

定義
：從通電到輸出穩(wěn)定數(shù)據(jù)的時間。
典型值
：例如 ICM-42688-P 為 40ms，ICM-42670-P 為 30ms。
影響
：啟動時間越短，設(shè)備響應(yīng)越快，適合需要快速啟動的場景（如無人機(jī)）。

20. 輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）

定義
：傳感器數(shù)據(jù)的更新頻率，單位 Hz。
范圍
：例如 ICM-42688-P 的陀螺儀 ODR 為 12.5~32000Hz。
選擇原則
：高速運(yùn)動場景（如四軸飛行器）需高 ODR（如 8000Hz）以捕捉快速變化；低功耗場景可選低 ODR（如 12.5Hz）。

四、加速度計關(guān)鍵參數(shù)（線加速度測量） 21. 可編程滿量程范圍（FSR）

定義
：加速度計能測量的最大加速度范圍，通常用 g 表示（1g≈9.8m/s2）。
可選范圍
：例如 ±2g/±4g/±8g/±16g（ICM-42688-P 支持 4 檔可調(diào)）。
選擇原則
：劇烈運(yùn)動場景（如碰撞測試）選大范圍（如 ±16g）；靜態(tài)傾角測量選小范圍（如 ±2g）以提高精度。

22. 靈敏度比例因子

定義
：單位加速度對應(yīng)的數(shù)字輸出值（LSB/g）。
典型值
：例如 FSR 為 ±2g 時，靈敏度為 16384 LSB/g，則 1g 的加速度對應(yīng) 16384 個數(shù)字量。

23. 非線性度 / 交叉軸靈敏度

含義
：與陀螺儀類似，分別表示輸出曲線的非線性偏差和軸間干擾比例。
典型值
：非線性度 ±0.1%，交叉軸靈敏度 ±1%。

24. 零重力輸出（ZGO）

定義
：靜止時加速度計的實際輸出與理論值（如水平放置時 x/y 軸應(yīng)為 0g，z 軸應(yīng)為 1g）的偏差。
參數(shù)
：包含初始公差（如 ±20mg，1mg=0.001g）和溫漂（如 ±0.15mg/°C）。
影響
：ZGO 越大，靜態(tài)傾角計算誤差越大。

25. 功率譜密度 / 均方根噪聲

定義
：與陀螺儀類似，分別表示單位頻率噪聲強(qiáng)度（如 10Hz 時 65μg/√Hz）和特定帶寬內(nèi)的噪聲有效值（如 100Hz 帶寬下 0.65mg-rms）。
影響
：噪聲越低，靜態(tài)加速度測量越穩(wěn)定，適合高精度傾角測量。

26. 加速度計啟動時間 / ODR

含義
：與陀螺儀類似，分別表示啟動穩(wěn)定時間（如 10ms）和數(shù)據(jù)更新頻率（如 ICM-42688-P 的 ODR 為 1.5625~32000Hz）。

五、電氣與環(huán)境參數(shù) 27. VDD/VDDIO

定義
：芯片主電源（VDD）和 I/O 接口電源（VDDIO）的電壓范圍。
典型值
：最小 1.71V，典型 1.8V，最大 3.6V。
意義
：支持寬電壓范圍，便于與不同供電系統(tǒng)兼容。

28. 低噪聲模式功耗 / 全芯片睡眠模式

低噪聲模式功耗
：例如 ICM-42688-P 六軸同時工作時為 0.88mA，ICM-42670-P 為 0.55mA。
睡眠模式功耗
：例如 ICM-42688-P 為 7.5μA，ICM-42670-P 為 3.5μA。
應(yīng)用
：電池供電設(shè)備需優(yōu)先選擇低功耗型號。

29. 溫度范圍

定義
：芯片正常工作的溫度范圍。
典型值
：-40°C~+85°C。
意義
：適應(yīng)工業(yè)、汽車等惡劣環(huán)境。

六、IMU選型指南

高精度應(yīng)用
（如工業(yè)機(jī)器人）：優(yōu)先關(guān)注噪聲譜密度（越低越好）、零偏溫漂（越小越好）。
高速運(yùn)動場景
（如無人機(jī)）：選擇高 ODR（如 32000Hz）、大量程 FSR（如 ±2000°/s）。
低功耗場景
（如穿戴設(shè)備）：選擇睡眠電流小（如 3.5μA）、低功耗模式電流低（如 0.55mA）的型號。
惡劣環(huán)境應(yīng)用
（如車載設(shè)備）：確保溫度范圍覆蓋 - 40°C~+85°C，抗沖擊能力≥20000g。

理解這些參數(shù)，就能根據(jù)具體需求挑選最合適的 IMU 芯片，讓機(jī)器人的 “內(nèi)耳” 更靈敏、更可靠。

文章來源于硬十，作者朱曉明_硬十

ADC 射頻 Wifi 等芯片測試線下技術(shù)研討會

（8月5日蘇州）

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