【Follow me第二季第4期】任务二：学习IMU基础知识，调试IMU传感器，通过串口打印...

mingzhe123 发表于 2024-12-1 12:14

本帖最后由 mingzhe123 于 2024-12-1 12:16 编辑

IMU原理及选型介绍

所谓IMU(Inertial Measurement Unit)是指惯性测量单元，利用惯性的变化测量物体加速运动和旋转。其中目前主流的惯性测量器件是MEMS(微机电)传感器，它将用于机械结构缩小至纳米尺度，可测量机器人加速度与旋转角速度。后面讨论的内容应该可以归为捷联式惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System)，即测量单元直接安装于被测物体上，与平台式惯导系统区别开来。

需要注意的是，IMU或者说六轴(6Dof)传感器讨论的是三轴加速度计和三轴角速度计（俗称陀螺仪），与AHRS（航姿参考系）或者说9轴(9Dof)传感器是有区别的，后者增加了磁力计，以地磁场作为参考。但是在地面机器人运动并且夹杂大量电机磁干扰的情况下，引入微弱的地磁作为绝对航向并不是一个好主意。

<h3 id="原理">原理</h3>

 

<div style="text-align: center;"></div>

 

当物体运动的惯性改变时，根据牛顿第二定律实际上物体内部会有相对的作用力，我们可以想象一个加速度计的结构如上图，在整个系统加速或减速时弹簧会有不同程度的伸长或压缩，通过测量弹簧的所连接的物体的位移可以测量出实际加速度的大小，当然这其中也包含重力加速度。在目前MEMS工艺制造的传感器中这些结构都被缩得非常小，以至于测量的位置可以视为被缩在同一点上。

而角速度计的原理类似，但是测量原理是令质量块不断在轴的径向上产生移动，探测其切向偏移测量科氏力大小，从而推出角速度的大小。

<h3 id="性能">性能</h3>

通常情况下，这两种传感器都有一般传感器所拥有的性能指标，例如不论是机械制造的误差还是A/D采样带来的偏置，满刻度误差，以及采样数据的噪声还有抗震性能，当然这些也会受到温度和输入电压的影响。有些误差的校正会在后续的校准中提到。

<h2 id="IMU参数">IMU参数</h2>

作为一种电子元器件，基本的参数都可以在其数据手册(datasheet)中查到，这些参数说明了IMU的性能范围，可以为选型提供参考，这里列举一些常用的参数

<ul>
<li>量程和灵敏度(sensitivity)：代表最大角速度或加速度范围和取样精度，通常有数字接口的IMU都会有这项</li>
<li>敏感度温漂(sensitivity change over temperature/ sensitivity temperature drift)：敏感度随温度的改变，通常用百分比或者FS/K(满刻度每度)</li>
<li>零偏(zero-rate offset/level)：IMU中尤其针对角速度计的一个重要参数，它代表了角速度计/加速计在静止时仍然输出的大小，是后续IMU校准中重点讨论的参数。我们希望它越小越好，以避免积分时带来的累计误差。通常目前IMU给出的典型值都是在1deg/s以上。</li>
<li>温度漂移(zero-rate offset change over temperature)：零偏随温度改变的大小，同样是角速度计的重要参数，越小代表IMU的零偏随温度影响越小。</li>
<li>噪声系数(noise)：代表输出噪声与带宽的关系，单位一般为(ug/√Hz或者dps/√Hz)，直观的说就是影响对真实信号的辨识程度。</li>
<li>交叉轴敏感度(cross-axis sensitivity)：通常情况下三个轴的输出应该都是独立的，但实际上可能出现跨轴影响输出的现象，这个参数就是用于衡量各轴之间的影响程度</li>
<li>加速度敏感度(g-sensitivity)：角速度计特有的参数，用于衡量加速度对角速度计输出的影响大小，通常单位为dps/g</li>
<li>零偏不稳定性：主要针对角速度计的参数，代表零偏在较长时间下的随机游走</li>
</ul>

<h2 id="IMU选型">IMU选型</h2>

目前可以找到的IMU厂商有以下几个：

<ul>
<li><a href="https://invensense.tdk.com/" rel="noopener" target="_blank">TDK InvenSense</a>：MEMS加速度计，角速度计，磁力计，六轴/九轴厂商，有广泛使用的IMU MPU6050，价位中等（也有更贵的高性能的ICM系列）</li>
<li><a href="https://www.st.com/en/mems-and-sensors/inemo-inertial-modules.html" rel="noopener" target="_blank">ST(意法半导体)</a>：MEMS加速度计，角速度计以及六轴厂商，主要为智能手机市场提供IMU，例如有LSM6DS3TR，价位偏低</li>
<li><a href="https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/" rel="noopener" target="_blank">Bosch(博世)</a>：MEMS加速度计，角速度计，磁力计，六轴/九轴厂商，主要为机器人和无人机市场提供IMU，六轴传感器的有BMI系列，价位偏高</li>
<li><a href="https://www.analog.com/cn/parametricsearch/11172#/" rel="noopener" target="_blank">ADI</a>：老牌半导体公司，有加速度计和六轴，主要用于汽车和军事领域，性能最高但价位也是极高。当然也有低端的加速计ADXL35x系列</li>
<li><a href="http://www.qstcorp.com/101/" rel="noopener" target="_blank">QST(上海矽睿)</a>：磁力计，加速度计以及六轴的国产厂商，有QMI8658/QMI8610等六轴传感器</li>
</ul>

选型过程自然要比较性能，当然主要看零偏，温漂以及噪声。考虑到价格因素，ADI的六轴这个选项基本可以舍弃。高性能的一档有ICM4x6xx,BMI0xx，QMI86xx和LSM6Dx的性能略逊一筹。

截止目前，已知官方有库存的只有ST和QST。在疫情的背景下，选用国产的IMU或许更能确保稳定供应。

Arduino Nano RP2040 Connect  --  LSM6DSOX

开发板使用的是LSM6DSOXTR是一款高性能的6轴惯性测量单元（IMU），由STMicroelectronics（意法半导体）制造。集成了3轴数字加速度计和3轴数字陀螺仪，采用系统级封装技术，具有出色的性能和低功耗特性。提供SPI、I²C和MIPI I3C串行接口，支持主处理器数据同步。是一款功能强大、性能卓越的6轴IMU。其手册特征如下图所示。意法半导体为其封装了传感器专用库-<a href="https://github.com/stm32duino/X-NUCLEO-IKS01A3" style="font-family:"Open Sans", "Lucida Grande", lucida, verdana, sans-serif; box-sizing:inherit; scrollbar-color:var(--color-scrollbar-body) transparent; scrollbar-width:thin; font-size:1rem; font-weight:600 !important; letter-spacing:0.01em; color:var(--color-accent-4); cursor:pointer; font-style:normal; text-decoration:none; transition:color 0.2s ease-out; 27.2px">STM32duino X-NUCLEO-IKS01A3</a>库，使用Arduino编程只需调用其库即可。

  

IMU编程与调试

<a href="https://www.digikey.cn/zh/products/detail/arduino/ABX00052/14123941" target="_blank">Arduino® Nano RP2040 Connect</a>代码：

<pre>
<code class="language-cpp">
/* WIRING
In order to use the Adafruit lsm6dsox sensor with a ST nucleo board,
plug Nucleo "+3.3V" to AdafruitLSM6DOX "VIN",
plug Nucleo "GND" to AdafruitLSM6DOX "GND",
plug Nucleo "SCL"(D15) to AdafruitLSM6DOX "SCL",
plug Nucleo "SDA"(D14) to AdafruitLSM6DOX "SDA".*/

#include "LSM6DSOXSensor.h"
#include <Arduino.h>
// Declare LSM6DSOX sensor. Sensor address can have 2 values LSM6DSOX_I2C_ADD_L (corresponds to 0x6A I2C address) or LSM6DSOX_I2C_ADD_H (corresponds to 0x6B I2C address)
// On Adafruit lsm6dsox sensor, LSM6DSOX_I2C_ADD_L is the default address
LSM6DSOXSensor lsm6dsoxSensor = LSM6DSOXSensor(&Wire, LSM6DSOX_I2C_ADD_L);

int flag;
longlast_update_time;

// Timer variables
unsigned long lastTime = 0;
unsigned long timerDelay = 1000;

void setup() {
Serial.begin(115200);

Serial1.begin(115200); // opensserial port, sets data rate to 115200 bps
while(Serial1.read()>= 0){}//clear serialbuffer

pinMode(LED_BUILTIN,OUTPUT);

digitalWrite(LED_BUILTIN,LOW);

Wire.begin();

// Default clock is 100kHz. LSM6DSOX also supports 400kHz, let's use it
Wire.setClock(400000);

// Init the sensor
lsm6dsoxSensor.begin();

// Enable accelerometer and gyroscope, and check success
if (lsm6dsoxSensor.Enable_X() == LSM6DSOX_OK && lsm6dsoxSensor.Enable_G() == LSM6DSOX_OK) {
Serial.println("Success enabling accelero and gyro");
} else {
Serial.println("Error enabling accelero and gyro");
}

// Read ID of device and check that it is correct
uint8_t id;
lsm6dsoxSensor.ReadID(&id);
if (id != LSM6DSOX_ID) {
Serial.println("Wrong ID for LSM6DSOX sensor. Check that device is plugged");
} else {
Serial.println("Receviced correct ID for LSM6DSOX sensor");
}

// Set accelerometer scale at +- 2G. Available values are +- 2, 4, 8, 16 G
lsm6dsoxSensor.Set_X_FS(2);

// Set gyroscope scale at +- 125 degres per second. Available values are +- 125, 250, 500, 1000, 2000 dps
lsm6dsoxSensor.Set_G_FS(125);

// Set Accelerometer sample rate to 208 Hz. Available values are +- 12.0, 26.0, 52.0, 104.0, 208.0, 416.0, 833.0, 1667.0, 3333.0, 6667.0 Hz
lsm6dsoxSensor.Set_X_ODR(208.0f);

// Set Gyroscope sample rate to 208 Hz. Available values are +- 12.0, 26.0, 52.0, 104.0, 208.0, 416.0, 833.0, 1667.0, 3333.0, 6667.0 Hz
lsm6dsoxSensor.Set_G_ODR(208.0f);

}

void IMU_update(int interval)
{
// Read accelerometer
uint8_t acceleroStatus;
lsm6dsoxSensor.Get_X_DRDY_Status(&acceleroStatus);
if (acceleroStatus == 1) { // Status == 1 means a new data is available
int32_t acceleration;
lsm6dsoxSensor.Get_X_Axes(acceleration);
// Plot data for each axis in mg
Serial.print("AccelerationX=");

Serial.print(acceleration);

Serial.print("mg, AccelerationY=");

Serial.print(acceleration);

Serial.print("mg, AccelerationZ=");

Serial.print(acceleration);
Serial.println("mg");

if (millis() - last_update_time > interval)
 {
 if (acceleration > 1000)
 {
//encoder_diff--;
flag = 1;
 Serial.print("flag=1");
 Serial1.write(49);
 digitalWrite(LED_BUILTIN,LOW);
 }
else if (acceleration < -1000)
{
// encoder_diff++;
flag = 2;
 Serial.print("flag=2");
 Serial1.write(50);
 digitalWrite(LED_BUILTIN,HIGH);
}
else
{
flag = 0;
}

last_update_time = millis();
 }
}

// Read gyroscope
uint8_t gyroStatus;
lsm6dsoxSensor.Get_G_DRDY_Status(&gyroStatus);
if (gyroStatus == 1) { // Status == 1 means a new data is available
int32_t rotation;
lsm6dsoxSensor.Get_G_Axes(rotation);
// Plot data for each axis in milli degrees per second
Serial.print("RotationX=");

Serial.print(rotation);

Serial.print("mdps, RotationY=");

Serial.print(rotation);

Serial.print("mdps, RotationZ=");

Serial.print(rotation);
Serial.println("mdps");
}

}

void loop() {

IMU_update(200);

}</code></pre>

PICO2端代码：

<pre>
<code class="language-cpp">int val;

void setup() {

Serial1.setRX(17);

Serial1.setTX(16);

Serial1.begin(115200); // opensserial port, sets data rate to 9600 bps

while(Serial.read()>= 0){}//clear serialbuffer

pinMode(25,OUTPUT);

}

void loop() {

if (Serial1.available() > 0) {

delay(100); // 等待数据传完

int numdata = Serial1.available();

val=Serial1.read();

Serial1.println(val);

if(val==49)

{

Serial.println("Test OK");

Serial.println(val);

// delay(2000);

digitalWrite(25, LOW);

}

if(val==50)

{

Serial.println("Test OK!!!");

Serial.println(val);

digitalWrite(25, HIGH);

}

while(Serial1.read()>=0){} //清空串口缓存

}

}</code></pre>

上位机打印的IMU数据：

  总结：

  实现IMU的控制与数据读取还是十分简单的，只需调用官方Arduino库即可，这大大降低了开发者的开发难度。

  演示视频：

   32888557c56d34de4aa82d0d0364dcf8

mingzhe123 发表于 2024-12-1 12:18

视频中应该是调用意法半导体官方的arduino库https://github.com/stm32duino

秦天qintian0303 发表于 2024-12-2 09:35

IMU厂商，你这都是大厂啊

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