Человекоподобным роботам нужен IMU с подавлением вибраций: важность датчика недооценивают

За два года человекоподобные роботы научились прыгать и делать сальто, но в цеху критерий другой — непрерывная стабильная работа. На встрече с журналистами в рамках CIIF 2026 директор направления микроэлектромеханических продуктов ADI в Азиатско-Тихоокеанском регионе Чжао Яньхуэй объяснил, почему ключевой становится ошибка вибрационного выпрямления (VRE), а не красивая статическая характеристика.

Последние два года подвижность человекоподобных роботов постоянно удивляла: танцы, бег и прыжки, сальто, даже переднее сальто с приземлением на сцене. Но когда такие роботы действительно приходят на завод или в кабельный коллектор, критерий меняется: залог практического применения — непрерывная и стабильная работа.

13 октября в рамках выставки CIIF 2026 компания ADI провела встречу с прессой, и директор направления микроэлектромеханических продуктов ADI в Азиатско-Тихоокеанском регионе Чжао Яньхуэй значительную часть времени посвятил показателю, который часто упускают, — ошибке вибрационного выпрямления (Vibration Rectification Error, VRE). Заодно выясняется, что важность IMU в роботах до сих пор сильно недооценивают.

Статический тест красив, а в движении — провал? Сейчас человекоподобные роботы обычно несут два IMU. «Один стоит в голове и интегрируется со зрением: IMU компенсирует разницу для зрения; другой — в области поясницы и живота, для определения общей ориентации», — объясняет Чжао Яньхуэй. Требования к разным местам разные: ступня — жёсткий контакт металла с металлом, нужны большой диапазон и стойкость к вибрации; пояс и живот развязаны от ног амортизацией, там важнее точность и долговременная стабильность; в голове приходится решать задачу синхронизации нескольких датчиков.

Отраслевой подход к оценке IMU довольно прост: положить прибор на стол, снять участок данных и посмотреть, ровная ли кривая. Если данные близки к прямой или колебания малы, считают, что точность высокая. Чжао Яньхуэй с этим не согласен: «Хорошие лабораторные статические показатели в реальном применении робота совершенно недостаточны». Пока прибор неподвижен, динамические свойства вообще не проявляются.

Настоящее испытание — вибрация. В человекоподобном роботе десятки двигателей, пуск и остановка сочленений, отклик пола и даже ветер добавляют вибрацию в сигнал датчика.

Самое частое решение заказчиков — фильтрация: срезают частоту среза до 0,1 Гц, и теоретически вибрация 1 кГц отфильтровывается начисто. Но выход не возвращается к исходному значению постоянной составляющей — он целиком смещается. Это и есть VRE: пройдя через нелинейное звено прибора, вибрация «выпрямляется» в постоянное смещение, и фильтр убирает высокочастотные составляющие, но не может убрать уже возникшее смещение.

Для инерциальной навигационной системы это смещение губительно. Смещение нуля гироскопа интегрируется трижды, прежде чем превратиться в положение, акселерометра — дважды; чем дольше работа, тем быстрее накапливается ошибка. Робот идёт не по прямой, тележка AGV медленно уходит с линии на производстве, eVTOL, исправный на заводе, резко проседает в одном из полётов — источник часто здесь.

«А такие проблемы с характеристиками прибора заказчик не может решить программно», — говорит Чжао Яньхуэй. В этот момент заказчики обычно рассматривают калибровку и компенсацию в реальном времени. Если производительности процессора достаточно, а ИИ достаточно зрел, нельзя ли в реальном времени измерить величину вибрации и скомпенсировать гироскоп?

Проблема в том, что VRE не растёт линейно с амплитудой вибрации. Одно и то же ускорение можно получить совершенно разными сочетаниями частоты и смещения, и VRE будет разным. Чтобы компенсировать, нужно знать и частоту, и амплитуду. «Тогда проще сразу купить IMU, который решает эту проблему».

Второй путь — программная фильтрация. По его мнению, фильтр убирает выбросы, но «может убрать часть высокочастотных помех и не может устранить влияние смещения постоянной составляющей»; а при медленном движении робота постоянную составляющую как раз нужно сохранять для интегрирования.

Третий путь — резиновая амортизация, сегодня самый распространённый на производстве. Она работает в короткой перспективе и отказывает в долгой: материал стареет, температура в отсеке беспилотника доходит до 70 °C, и резинка быстрее твердеет.

«Резиновая амортизация решает проблему на короткое время, но как только материал стареет, начинаются разнообразные проблемы», — объясняет Чжао Яньхуэй. Коварнее всего вопросы точности: амортизирующая конструкция даёт задержку сигнала, а неровность резинки вносит ошибку перекрёстной связи осей. Например, когда робот поднимается по уклону 90 градусов в одном направлении, перекрёстной связи осей в 10% вполне достаточно, чтобы система решила, что на 9 градусов повернулась и другая ось.

Есть и отказ, связанный со временем. Если заказчик год держит робота без дела, а потом включает, амортизирующий материал уже изменился — и точности нет. Что до вычисления ориентации по энкодерам двигателей, при проскальзывании сочленения накапливается ошибка, а задержка отклика выше, чем при прямом измерении IMU.

Решение ADI: четырёхъядерный MEMS. Раньше одноядерный MEMS измерял скорость вращения за счёт силы Кориолиса, но проблема в том, что порождённая вращением сила Кориолиса неотличима от вибрации в том же направлении: как только частоты гармоник совпадают, два сигнала практически полностью смешиваются.

ADI сначала сделала двухъядерный вариант: два ядра колеблются в противофазе на 180 градусов. Теоретически решение есть, но точность изготовления двух ядер не может быть полностью одинаковой, и утечка синфазного сигнала сохраняется. Окончательный ответ — четыре ядра: внешняя вибрация подавляется как синфазный сигнал, а истинное движение усиливается как дифференциальный.

Чжао Яньхуэй сравнивает это с инструментальным усилителем: внутри такого прибора обычно три операционных усилителя, построенных симметрично, и коэффициент подавления синфазного сигнала 110 дБ уже считается хорошим, лучший в отрасли — около 130 дБ, но никакая симметрия не бывает бесконечной. Четыре ядра ADI — та же идея: ядра колеблются попарно в противофазе, внешняя вибрация гасится как синфазная, остаётся только истинное вращение — ценой площади и стоимости. «Раньше IMU ADI были довольно крупными модулями, мы пожертвовали частью объёма, и стоимость относительно выше. Но в роботах, промышленной автоматизации, eVTOL и в системах связи „в движении“ на судах такое подавление вибрации необходимо. Именно поэтому мы всегда делаем акцент на гироскопе и не жалеем больших затрат на четырёхъядерную архитектуру».

IMU на уровне чипа: сложность не в размере. Термин «IMU на уровне чипа» в отрасли используют вольно: у продуктов ADI 2017 и 2019 годов внешний вид уже был близок к размеру чипа и применялся корпус BGA, но внутри оставалось несколько отдельных кристаллов — отдельные акселерометр, гироскоп и процессор.

Отличие ADIS16607 в том, что IP акселерометра, IP гироскопа, IP обработки сигналов и IP процессора интегрированы в одном кристалле. Ради этого шага ADI «затворилась» на семь лет после предыдущего поколения 2019 года, поддерживая итерации только модульными продуктами (ADIS16545/16547, ADIS16576). «Сложность и вызов объединить столько IP в одном чипе на самом деле очень велики, особенно если нужно обеспечить надёжность и повторяемость», — говорит Чжао Яньхуэй.

Малый размер не потребовал уступок по характеристикам. У гироскопа ADIS16607 два варианта диапазона — ±480 °/с и ±2000 °/с; у варианта ±480 °/с стабильность смещения нуля в рабочем режиме 2,3 °/ч, случайное блуждание угла 0,19 °/√ч, погрешность взаимной выставки осей ±0,1°. Акселерометр ±40 g со стабильностью смещения нуля 13 мкг. По температуре заводская калибровка охватывает от −40 до +85 °C, верхняя рабочая температура — +105 °C; питание от 3,1 до 3,6 В, стойкость к механическому удару 2000 g, интерфейсы SPI и I²C.

Примечательна внешняя синхронизация: поддерживается вход от 1 до 8 кГц. IMU в голове робота работает со зрением в визуально-инерциальной одометрии (VIO), и кадры камеры и отсчёты IMU должны быть строго согласованы по времени: синхронизация здесь не украшение, а условие, без которого объединение данных не работает.

Корпус ADIS16607 по-прежнему герметичный керамический. Чжао Яньхуэй признаёт, что это «относительно дороже», но долговременная стабильность держится именно на нём. Каждый прибор перед выпуском проходит калибровку во всём диапазоне температур, а также ускоренное старение при высокой температуре и давлении (HTHP), термоциклы (TCT) и испытания ускоренным стрессом (HAST), после чего все источники ошибок сводятся в общую модель — только тогда можно заявлять показатели повторяемости на весь жизненный цикл.

Почему долговременная стабильность даётся тяжело? Он приводит очень конкретный сценарий: «Работает ли прибор непрерывно или долго выключен, в момент, когда от него требуется выполнить задачу, он должен обладать достаточной точностью, чтобы выполнить её сразу».

Когда робот уходит со стенда в цех, а из десятиминутного шоу превращается в круглосуточное сосуществование с человеком, слова «резервирование», «гетерогенность», «запуск без калибровки» переходят из «опции» в «необходимость». Датчик — первое звено всей цепочки: если первое звено неточно, управление, планирование и исполнение только усиливают ошибку.

Итог: от показа к внедрению человекоподобные роботы соревнуются уже не сложностью движений, а стабильностью непрерывной работы. ADI упаковала четырёхъядерный IMU в чип размером 6,9 мм в квадрате — по сути превратив «работу на любом рельефе круглосуточно» из проблемы системного проектирования в задачу выбора компонента. А когда роботы шаг за шагом входят на заводы и в бытовые сценарии, долговременно стабильные IMU с подавлением вибраций будут играть всё большую роль.