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9軸IMUセンサ ICM-20948をロボットに組み込もう

はじめに

TDK Invensense製9軸IMUのICM-20948は、MPU-9250の後継機種で、MPU-9250のVDDは2.4V～3.6V、VDDIOは1.71V～VDDに対して、ICM-20948のVDDは1.71V～3.6V、VDDIOは1.71V～1.95Vに低めに設定して、省電力となった。また、デジタルモーションプロセッサDMP(ICM-20948内蔵FPGA)によるデータフュージョン(FPGAによるFusion)の特長が継承して、さらにRAM容量が拡張して、6軸フュージョンのみならず9軸フュージョンまで増強して、較正機能もあると、以下参考文献を読むと詳細まで分かる。

環境

・Ubuntu 18.04
・ROS Melodic
・MCU: Cortex M0+
・IMU: ICM-20948

DMP3の出力確認

以下のように、出力レート50Hz、加速度Ax Ay Az、角速度Gx Gy Gz、磁場Mx My Mz、4元数Qw Qx Qy Qzの順に出力させる。

imu-icm20948-output
imu-icm20948-output

4時間+にわたる連続動作して出力を確かめる。確認環境は完全に静止な状態でもないので、ドリフトは納得いく範囲内にとどまっている。rvizで確かめてもドリフトが肉眼では見えないほど。ドリフトにおいては、MPU-9250から大いに改善されたと見られる。

imu-icm20948-output-4hours
imu-icm20948-output-4hours

出力確認動画は以下イメージをクリックすると、youtubeへジャンプする。

icm20948_imu_ros
icm20948_imu_ros

最後に

MPUシリーズと比べて、ユーザの事前校正いらず、長時間(実験は4時間程度まで）においても、ドリフトとくにヨウ角（Yaw、方向角）のドリフトは目立たないほどになった。また、1.71Vの低電圧でも動作可能なのでスマートデバイスや、ロボットの長時間電池駆動が可能になる。なお、出力レートはMax 225Hzと確認できた。ICM-20948 DMP3(IMU内蔵FPGA)から出力した、Accel/Gyro/Mag計9軸データ出力にFusion Quaternionの4元数データがそのまま利用可能で、遅延もソフト・カルマンフィルタなどより少なく他機種IMUより優れる（低遅延、6軸／9軸フュージョンデータ出力レート225Hz）ため、ロボットの精度向上に利用可能。1.8V VDDIO対応、DMP3の出力に手間かかった末、地磁気センサ出力は75Hzまでと少し残念だが、総じて優秀としか思わないICM-20948をロボット装置に組み込もうと決めた。

商品化モジュール

ICM-20948とCoretex M0+を組み込んだ回路を設計して、ROSに対応したロボット専用センサモジュールとして商品化して、2021年1月～、リリースと予定している。この商品は皆さんの学術研究にお役に立てるようと願う。主な仕様は以下のとおり。
・構成　CortexM0+ & TDK Invensense ICM-20948(9軸)実装
・接続　USB Type-Cコネクタ実装
・出力　6軸／9軸融合4元数はFPGA on chipから低遅延で出力、別途ソフトでフュージョン必要なし、出力レート225Hz、同時に加速度(アクセル)3軸データ225Hz、角速度(ジャイロ)3軸データ225Hz、地磁気(コンパス)3軸データ75Hzまで出力可能
・ROSパッケージ、Githubへ公開、ROS Kinetic以降対応、ROS TopicへSubscribeすることでデータが受け取り可能
・rviz実演、実演ビデオあり

【2021年3月いま現在】1回目制作分（評価版）、大学など研究機関へ無料配布中（アンケート調査あり）、WEBでの募集を含めて順次終了。

【2021年4～5月予定】2回目制作分（商用版）、販売の予定。

詳細情報

9軸IMUセンサ 6軸／9軸フュージョン 低遅延 USB出力 補正済み ROS対応

取扱店舗

9軸IMUセンサ 6軸／9軸フュージョン 低遅延 USB出力 ROS対応 | ROBOT翔

参考文献

Migrating from MPU-9250 to ICM-20948-InvenSense

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9軸IMUセンサ MPU-9250をロボットに組み込もう

はじめに

9軸IMUのMPU-9250はTDK InvenSense社製I2Cインターフェースの3軸ジャイロセンサ+3軸加速度センサ+3軸コンパスセンサIC、内蔵DMP(Digital Motion Processor)機能を使うことで、補正済みデータとしての4元数Quaternionまたはオイラー角、ロールRoll・ピッチPitch・ヨウYaw角の出力が選べる。また、MPUシリーズはすでに新規設計非推奨になっているため、後継機種はICMシリーズで、MPU-9250の後継機種はICM-20948となって、MPU-9250に比べて、事前校正不要で、ドリフトの低減、省電力などにおいてパフォーマンスが改善された。本文は、6軸MPU-6050に続いて、9軸MPU-9250 DMPから4元数Quaternionを読み込んで可視化するまでの手順を以下のとおりに示して、ROSドライバをGithubへ公開する。安価のため、MPU-9250サンプルの入手ルートはAliexpressにした。

mpu6050-mpu9250
mpu6050(6軸)-mpu9250(9軸)

※I2Cインターフェースは、vcc、gnd、scl、sdaの4pinインターフェース

環境

・ubuntu 18.04 Tinker board(or Raspiberry Pi, PC)
・ROS melodic
・DFRobot Romeo mini v1.1(or arduino uno互換)
・MPU-9250/6500

準備①

・ros-melodic-rosserial-arduino、ros-melodic-rosserial、rviz_imu_pluginを入れる

$sudo apt-get update
$sudo apt-get install ros-melodic-rosserial-arduino
$sudo apt-get install ros-melodic-rosserial
$cd ~catkin_ws/src/
$git clone -b melodic https://github.com/ccny-ros-pkg/imu_tools
$cd ..
$catkin_make_isolated

・mpu9250_imu_rosを入れる

$cd ~/catkin_ws/src/
$git clone https://github.com/soarbear/mpu9250_imu_ros.git
$cd ~/catkin_ws/
$catkin_make_isolated

準備②

・firmware/MPU9250_DMP/MPU9250_DMP.inoをArduino IDEでArduinoに書き込む。

imu/dataの可視化

・実に使われるポートtty????を確認する。
・rvizが自動起動して、画面にあるセンサの動きを観察する。

$sudo ls -l /dev/ttyACM*
$sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
$roslaunch mpu9250_imu_driver mpu9250_imu.launch

・以下スクリーンショットをクリックすると、youtubeへ遷移する。

mpu6050_imu_ros
mpu9250_imu_ros

センサ融合について

MPU-9250内蔵DMPおよび、センサ融合またはデータ同化Fusionに定番アルゴリズムであるKalman Filterの他、Complementary Filter、Madgwick Filterがある。振動やシステム誤差によって測定値に大きな影響あり、フィルタリングが必須とは言える。

ソースコード

mpu9250_imu_rosソースコード(Github)

後継機種

ICM-20948はMPU-9250の後継機種、その製品化情報は 9軸IMU/AHRS 6軸&9軸回転ベクトル&3軸オイラー角 MAX1000Hz同時出力 ROS/ROS2対応 USB接続、9軸IMU 6軸／9軸フュージョン ICM-20948 Cortex-M0+内蔵 ROS対応

参考文献

1-Jeff Rowberg氏: I2C driver
2-ROS Repository: ROS imu_tools

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