機器人、無人機是怎么知道自己的姿態的？揭秘 IMU 的關鍵參數

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

坐車時，眼睛看到窗外景物后退，內耳感知到車輛的直線 / 旋轉運動，身體也感受到座椅的支撐力變化，三者信號統一，大腦能準確判斷 “正在運動”，身體適應良好。

但暈車時，這種信號一致性被打破了：

• 比如坐在封閉車廂內看手機，視覺系統會告訴大腦 “身體靜止”（因為手機或車內景物相對靜止）；

• 但內耳的前庭系統卻能感知到車輛的顛簸、轉彎、加速等運動，向大腦傳遞 “正在運動” 的信號；
• 兩種矛盾的信號被送入大腦，大腦無法統一判斷身體狀態，就會觸發 “異常警報”—— 這種沖突被解讀為 “可能中毒”（進化中，感官混亂常與毒素致幻相關），進而引發惡心、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、雷達比作機器人、無人機的眼睛的話，那么IMU這個“器官”比喻成“內耳”再貼切不過了。

a）陀螺儀

陀螺儀是通過測量科氏力來檢測角速度的，科氏力在大學物理中提到過，如圖

• 若圓盤逆時針旋轉，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 )：物體質量
• ( ω )：旋轉坐標系的角速度矢量
• ( v)：物體在旋轉系中的速度矢量
• “×” 表示矢量叉乘 → 力方向垂直于運動平面！

在實際的MEME傳感器中，大致結構如圖，在一個方向保持左右運動，若有旋轉的角速度則會在垂直的方向產生科氏力，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，圖中的質量塊受到加速度的作用會左右運動，而兩側的電容能測量質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來測量磁場的強度，高中物理中學過霍爾效應也很簡單，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面產生電場，通過測量這個電場的強度及正負則能間接測量出場強的大小。

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

IMU：機器人的 “內耳”

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（如俯仰角、橫滾角、航向角）。無論是家庭掃地機器人避開障礙，還是工業機械臂保持軌跡精度，都離不開 IMU 的實時數據支持。

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

關鍵參數解析：從性能到實用性

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

一、基礎硬件特性

1. FIFO（First In First Out）

• 定義

  ：芯片內部的先進先出數據緩沖區，用于臨時存儲傳感器數據。

• 作用

  ：當主控處理器（如 MCU）處理數據速度較慢時，FIFO 可緩存多組傳感器數據，避免數據丟失。例如，芯片以 1000Hz 采樣，但 MCU 只能以 200Hz 讀取數據，FIFO 可暫存 5 組數據。

• 典型值

  ：ICM-42688-P 的 FIFO 為 2KB，ICM-42670-P 為 2.25KB。

2. ADC（Analog-to-Digital Converter）

• 定義：模數轉換器，將傳感器的模擬信號轉換為數字信號。在IMU芯片內部，還是需要用ADC對上述電容對應的電壓值進行采樣的。
  
  

• 關鍵指標：位數（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. 可編程數字濾波

• 定義：芯片內置數字濾波器（如低通、高通），用戶可通過編程設置濾波參數。

• 作用：濾除特定頻率的噪聲。例如，設置低通濾波截止頻率為 50Hz，可抑制高于 50Hz 的高頻噪聲（如電機干擾）。

  
  

4. 溫度傳感器

• 作用：實時測量芯片內部溫度，用于溫度補償（如校準陀螺儀零偏隨溫度的漂移）。

• 精度要求：通常需 ±1°C 以內，以保證補償效果。

5. 可編程中斷

• 定義：芯片可根據預設條件（如加速度超過閾值、FIFO 滿）主動向主控發送中斷信號。

• 應用場景：低功耗場景中，僅在需要時喚醒主控，降低系統功耗。例如，運動喚醒檢測（WoM）觸發中斷后，主控才開始處理數據。

6. IIC 接口 / SPI 接口

• 定義：兩種數字通信協議，用于芯片與主控間的數據傳輸。

• IIC：雙線制（SDA、SCL），適合短距離、低速通信（標準模式 100kbps，快速模式 400kbps）。

• SPI：四線制（MOSI、MISO、SCK、CS），速度更快（可達數十 Mbps），適合大數據量、高速傳輸。
  

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

  ：通過增加采樣次數或優化電路設計降低噪聲，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

  ：適應惡劣環境（如工業振動、無人機碰撞），確保物理可靠性。

9. Self-test 自測試

• 功能

  ：芯片內置測試電路，可自檢陀螺儀、加速度計是否正常工作。

• 應用

  ：設備啟動時執行自測試，快速排查傳感器故障（如零偏異常）。

10. WoM（Wake-on-Motion）運動喚醒檢測

• 原理

  ：芯片持續監測加速度，當檢測到運動（如振動、晃動）時，從低功耗模式喚醒主控。

• 典型應用

  ：智能手表在用戶抬手時喚醒屏幕，降低待機功耗。
  
  

三、陀螺儀關鍵參數（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）。

• 選擇原則

  ：高速運動場景（如無人機）選大范圍（如 ±2000°/s），但靈敏度降低；靜態或低速場景（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

  ：單位角速度對應的數字輸出值（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 16.4 個數字量。

• 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

  ：包含初始公差（如 ±0.5°/s）和溫漂（如 ±0.005°/s/°C）。

• 影響

  ：ZRO 越大，靜態時的角速度測量誤差越大，長時間積分會導致姿態角累積誤差。

16. 速率噪聲譜密度

• 定義

  ：單位頻率下的噪聲強度，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，適合高精度應用。

17. 總均方根噪聲（RMS 噪聲）

• 定義

  ：特定帶寬內的噪聲有效值，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. 機械頻率

• 定義

  ：陀螺儀內部機械結構的諧振頻率。

• 典型值

  ：25~29kHz（如 ICM-42688-P）。

• 設計原則

  ：工作頻率應遠離機械頻率，避免共振導致測量誤差。

19. 陀螺儀啟動時間

• 定義

  ：從通電到輸出穩定數據的時間。

• 典型值

  ：例如 ICM-42688-P 為 40ms，ICM-42670-P 為 30ms。

• 影響

  ：啟動時間越短，設備響應越快，適合需要快速啟動的場景（如無人機）。

20. 輸出數據速率（ODR）

• 定義

  ：傳感器數據的更新頻率，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、加速度計關鍵參數（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）。

• 選擇原則

  ：劇烈運動場景（如碰撞測試）選大范圍（如 ±16g）；靜態傾角測量選小范圍（如 ±2g）以提高精度。

22. 靈敏度比例因子

• 定義

  ：單位加速度對應的數字輸出值（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 16384 個數字量。

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 軸應為 0g，z 軸應為 1g）的偏差。

• 參數

  ：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度（如 10Hz 時 65μg/√Hz）和特定帶寬內的噪聲有效值（如 100Hz 帶寬下 0.65mg-rms）。

• 影響

  ：噪聲越低，靜態加速度測量越穩定，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，分別表示啟動穩定時間（如 10ms）和數據更新頻率（如 ICM-42688-P 的 ODR 為 1.5625~32000Hz）。
  
  

五、電氣與環境參數

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。

• 應用

  ：電池供電設備需優先選擇低功耗型號。

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

  ：適應工業、汽車等惡劣環境。
  
  

六、IMU選型指南

1. 高精度應用

   （如工業機器人）：優先關注噪聲譜密度（越低越好）、零偏溫漂（越小越好）。

2. 高速運動場景

   （如無人機）：選擇高 ODR（如 32000Hz）、大量程 FSR（如 ±2000°/s）。

3. 低功耗場景

   （如穿戴設備）：選擇睡眠電流小（如 3.5μA）、低功耗模式電流低（如 0.55mA）的型號。

4. 惡劣環境應用

   （如車載設備）：確保溫度范圍覆蓋 - 40°C~+85°C，抗沖擊能力≥20000g。

理解這些參數，就能根據具體需求挑選最合適的 IMU 芯片，讓機器人的 “內耳” 更靈敏、更可靠。