機(jī)器人選擇陀螺儀時(shí)喜歡使用的指標(biāo)是漂移,這對(duì)機(jī)器人意味著什么?

一年一度的FIRST機(jī)器人挑戰(zhàn)賽結(jié)束了，全球數(shù)千名高中生展開競(jìng)爭(zhēng)，在 6 周內(nèi)設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試機(jī)器人。ADI 在今年的賽季上為參賽隊(duì)伍提供了哪些器件呢？參賽隊(duì)伍為什么要使用這些器件呢？

ADI 提供—— ADXRS450陀螺儀板

這與去年賽季上 ADI 提供的套件中包含的陀螺儀板相同。使用這些板的代碼已經(jīng)集成到 WPI 庫(kù)中，因此只需要將板插入 RoboRIO 的 SPI 連接器中，就可以立即開始工作了。我們?cè)诠谲娰惿虾蛶字ш?duì)伍交談過(guò)，并且看到去年很多隊(duì)伍使用它們都在自動(dòng)運(yùn)行期間取得了好成績(jī)。采用陀螺儀是確定機(jī)器人朝向哪個(gè)方向的一種簡(jiǎn)便方法，令自動(dòng)運(yùn)行期間執(zhí)行轉(zhuǎn)彎或是在掃射時(shí)保持麥克納姆驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人朝向正確的方向都非常便捷。ADXRS450 陀螺儀板是參賽隊(duì)伍非常好的一個(gè)起步之選，尤其是對(duì)不了解機(jī)器人陀螺儀的隊(duì)伍。

ADI 提供—— ADIS16448 10自由度IMU板

ADIS16448 工業(yè)級(jí)慣性測(cè)量單元(IMU)今年再次列入FIRST Choice。如果的確需要精確的運(yùn)動(dòng)控制，此款I(lǐng)MU是理想之選。每個(gè)單元都在工廠獨(dú)立校準(zhǔn)，這意味著機(jī)器人將更精確。劇烈振動(dòng)的環(huán)境（例如安裝在有電機(jī)和氣動(dòng)裝置的競(jìng)技機(jī)器人上，以及撞到墻上）也會(huì)導(dǎo)致成本較低的陀螺儀出現(xiàn)明顯誤差，但是 ADIS16448 恰恰能出色地抑制這些影響，畢竟它是為工業(yè)級(jí) UAV 設(shè)計(jì)的！所有這些都意味著用于幫助機(jī)器人判別朝向時(shí)的超高性能。代碼可以通過(guò) 此處的github獲得，感謝 jchong，還有現(xiàn)成的 安裝工具，提供給使用LabVIEW的隊(duì)伍。此外，我們知道隊(duì)伍過(guò)去使用這個(gè)板有些問(wèn)題，我們很高興發(fā)布了最新款的 RoboRIO 圖像，讓隊(duì)伍可以獲得比往年更好的 IMU性能。這適用于我們所有的IMU板，不論獲得的時(shí)間。

大多數(shù)隊(duì)伍在為機(jī)器人選擇陀螺儀時(shí)喜歡使用的指標(biāo)是漂移。我們來(lái)探討一下這對(duì)機(jī)器人意味著什么……

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。陀螺儀不會(huì)簡(jiǎn)單地輸出機(jī)器人已旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。陀螺儀會(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。這在微積分術(shù)語(yǔ)中就叫積分。對(duì)于那些學(xué)過(guò)微積分的人（或那些還記得“當(dāng)年”微積分課的“老伙計(jì)”），這與計(jì)算曲線圍成的面積相同。這個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算是在 WPI 庫(kù)中完成的，或?qū)?IMU 來(lái)說(shuō)，是在上述代碼鏈接中完成的。

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。把這看作是機(jī)器人眼中的“正北”或者筆直前進(jìn)的方向（例如，朝向?qū)κ株?duì)伍的駕駛站）。

在本例中，上方代表機(jī)器人的前方

然而，因?yàn)闆](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。還記得我們?nèi)绾潍@得實(shí)際方向的角度嗎？必須將每個(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。（如果您有興趣了解更多關(guān)于所有這些誤差源的信息，可以查看文章《MEMS陀螺儀中主要噪聲 源的預(yù)測(cè)和管理》）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)值卻根本不是零。

同樣，上方代表機(jī)器人的前方

這就是通常隊(duì)伍所說(shuō)的陀螺儀漂移。一旦考慮到上述鏈接文章中所提到的不同的誤差來(lái)源，參賽隊(duì)伍會(huì)發(fā)現(xiàn)，IMU的漂移介于每小時(shí) 20 至 30 度之間。乍一看，這看上去像是漂移很大！但是，如果您看一下這在比賽過(guò)程中意味著什么，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種漂移實(shí)際上并不是太糟糕。如果假設(shè)機(jī)器人在比賽開始前保持了 7 分鐘的開機(jī)時(shí)間，機(jī)器人會(huì)認(rèn)為它的前進(jìn)方向只改變了 3 度左右。

到比賽結(jié)束時(shí)，這個(gè)數(shù)值接近 4 或 5 度，其實(shí)是很小的數(shù)字，而且非常容易管理。