建構精準導航堅實基礎　IMU提升機器人定位性能(1)

本文探討慣性感測器(IMU)在機器人定位上扮演的關鍵角色，並詳述其關鍵利益。IMU能提供動作數據，故成為協助機器人精準定位的關鍵元件，其內部整合了加速計、陀螺儀以及磁力計，藉由提供即時的反應，讓機器人能精準判斷其方向、位置以及動作，進而在持續變化的環境中導航前進。感測器融合技巧結合了IMU數據與其他感測器，包括攝影機與光達，統整多種資料來源，藉以提升定位的精準度。IMU廣泛用於行動機器人、無人航空載具(UAV)、以及虛擬實境/擴增實境等領域。其促成精準定位的能力讓機器人能自主執行各種複雜任務，並在所處環境中進行高效率的互動。本文將探討AMR在各種嚴峻環境運作時的IMU使用情境，以及其促成精準的定位。

自主移動機器人(AMR)對於未來的智慧工廠與倉庫十分重要，同時也扮演著核心角色來塑造自動化、永續、潔淨工廠的未來面貌。AMR能在工業環境中提升效率、減少浪費、以及優化資源使用率。雖然未來的工廠可能針對在其內部運作的AMR量身打造與優化，但若是要在現有的倉庫和工廠中採用這些機器人將會面臨到許多挑戰。AMR的主要障礙涉及到兩項關鍵要素：高效率的路徑規劃(判斷最佳路徑)以及精準定位(持續更新在環境中所處的位置)。

本文探討在收不到GPS訊號的封閉環境中如何進行室內導航。自主移動機器人採用各式各樣的感測器與演算法來進行定位與導航，其中包括攝影機、光達、雷達等視覺感測器，以及輪速編碼器與IMU里程計。每種感測器模態在距離、精度以及感官資訊方面都有各自獨特的優勢。結合這些感測器可確保獲得全方位的資料，進而在動態環境中進行高效的機器人定位。完全自主運行需要用到各種類型的感測器，透過本文，剖析AMR各種使用情境與環境，以及IMU如何協助精準定位，這對於導航與自主運行都非常重要。

什麼是IMU？

IMU是一種微型化裝置，由各種微機電系統(MEMS)元件構成。組件包括：

・三軸加速計

加速計會量測相對於地球重力場的加速度。在IMU中，三軸加速計用來量測x、y、z軸的數據(圖1)。

・三軸陀螺儀

陀螺儀量測旋轉速率，提供三個軸向的角速度數據。三軸陀螺儀能量測機器人三個軸向(ωx, ωy, ωz)的角速度(圖2)。

・高性能磁力計

提供磁場量測，對於在持續變化的環境中進行精準方位估算十分重要。儘管並非熱門選項，但在一些既有IMU中確實配備了磁力計。

其他如溫度感測器則是用來補償溫度導致的數據波動，協助氣壓計量測壓力。

IMU功能模組架構

典型IMU不僅內含陀螺儀、加速計、溫度感測器，還配備了類比/數位轉換元件，主要是用於擷取量測數據以及進行溫度補償(圖3)。

IMU配備初步濾波演算法，像是搭載FIR(有限脈衝響應濾波)。

校正與補償機制，能修正任何對位誤差與感測器偏差。

使用者可選擇調整IMU模組內部軸旋轉角度(dƟ)使其和機器人的座標系對齊，然後再傳送最終數據。

IMU對AMR帶來多項優勢

・結合高更新率即時定位

在機器人運行的環境中，自主運行與即時導航是關鍵的要素。然而，各種感知感測器通常在受限的更新率下工作，其範圍約在10~30Hz之間。相較之下，IMU功能便獲得大幅躍進，能提供高傳真的輸出定位，最高達到200Hz的更新率。更高的更新率能顯著提升系統的可靠度，因為其能在動態環境中對快速的方位變化迅速做出反應。另外，加快的更新率亦讓AMR能在其他量測器短暫的間隔期間內即時提供姿態預測。因此，在達成即時定位上，IMU扮演核心的角色，可憑藉快10倍的更新率超越各種感知感測器。

・航位推算(Dead reckoning)

IMU扮演航位推算的骨幹，此種導航技巧是根據先前已知的位置來推測目前的位置。由於能長時間持續提供位置、方向以及速度等資料，因此IMU能達到精準的推測，進而為AMR提供可靠的導航功能。

・精巧尺寸與重量

IMU精巧尺寸與輕量化設計，使其適合整合到各種行動機器人組態。舉例來說，廠商Analog Devices的ADIS16500其底部尺寸僅為33.25mm×30.75mm，將確保能高效率地置入產品內部而不致於影響機器人的行動能力。

・在多元環境的強韌性

IMU相對之下更能耐受電磁干擾，因此能在各種環境中工作，其中包括戶外與室內環境，這使其適合種類眾多的應用。

・透過加快更新率提升可靠度

感知感測器的更新率通常限制在約10~30Hz，IMU性能明顯高出一截，提供4kHz原始資料傳輸率的高傳真位置輸出資料。提高的更新率能提升可靠度，尤其是在各種動態環境下使AMR能快速做出反應，協助在其他量測的短暫間隔期間預測機器人的姿態。

建構精準導航堅實基礎　IMU提升機器人定位性能(1)

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