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地面機(jī)器人系統(tǒng)通常用于人工介入成本過高、危險(xiǎn)過大或者效率過低的任務(wù)。在許多情況下，機(jī)器人必須能夠自主工作，利用導(dǎo)航系統(tǒng)來監(jiān)視并控制它從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。管理位置和運(yùn)動時(shí)的精度是實(shí)現(xiàn)有用、可靠的自主工作的關(guān)鍵。

MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀可提供反饋檢測機(jī)制，對優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。圖1所示的Seekur機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)采用先進(jìn)MEMS器件來改善導(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)。

圖1：Adept MobileRobots (www.mobilerobots.com)開發(fā)的Seekur系統(tǒng)是一個(gè)采用先進(jìn)MEMS傳感器的自主系統(tǒng)

機(jī)器人導(dǎo)航概述

機(jī)器人的移動通常是從管理機(jī)器人總體任務(wù)進(jìn)度的中央處理器發(fā)出位置變化請求開始的。導(dǎo)航系統(tǒng)通過制定行程計(jì)劃或軌跡以開始執(zhí)行位置變化請求。

行程計(jì)劃需考慮可用路徑、已知障礙位置、機(jī)器人能力及任何相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)。例如，對于醫(yī)院里的標(biāo)本遞送機(jī)器人，遞送時(shí)間非常關(guān)鍵。行程計(jì)劃被饋入控制器，后者生成傳動和方向配置文件以便進(jìn)行導(dǎo)航控制。這些配置文件可根據(jù)行程計(jì)劃執(zhí)行動作和進(jìn)程。該運(yùn)動通常由若干檢測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測系統(tǒng)均產(chǎn)生反饋信號；反饋控制器將信號組合并轉(zhuǎn)換成更新后的行程計(jì)劃和條件。

開發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟始于充分了解每種功能，尤其需要重視其工作目標(biāo)和限制。各項(xiàng)功能通常都有一些明確界定且易于執(zhí)行的因素，但也會提出一些需要加以處理的具有挑戰(zhàn)性的限制。某些情況下，這可能是一個(gè)反復(fù)試探的過程，即識別和處理限制的同時(shí)又會帶來新的優(yōu)化機(jī)遇。

一般導(dǎo)航系統(tǒng)框圖

以Adept MobileRobots Seekur為例，它是一個(gè)自主機(jī)器人，具有四輪傳動系統(tǒng)，每個(gè)車輪均有獨(dú)立轉(zhuǎn)向和速度控制能力，可在任何水平方向靈活地移動平臺。它的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與圖2所示的系統(tǒng)相似。

正向控制

如圖2所示，正向控制是通過發(fā)出機(jī)器人本體命令來實(shí)現(xiàn)的。這些命令本質(zhì)上是誤差信號，產(chǎn)生自軌跡規(guī)劃器提供的行程計(jì)劃與反饋檢測系統(tǒng)提供的行程進(jìn)度更新信息之間的差異。
 

圖2：Seekur導(dǎo)航系統(tǒng)利用GPS、激光檢測和MEMS陀螺儀來獨(dú)立控制各個(gè)車輪

這些命令被饋入逆向運(yùn)動學(xué)系統(tǒng)，后者將機(jī)器人本體命令轉(zhuǎn)換成每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向和速度配置文件。這些配置文件使用阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，整合了輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要幾何特性。

利用阿克曼轉(zhuǎn)向原理和關(guān)系，上述機(jī)器人平臺可創(chuàng)建以電子方式鏈接的轉(zhuǎn)向角度配置文件，類似于許多汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中使用的機(jī)械齒條-齒輪系統(tǒng)。由于這些關(guān)系是以遠(yuǎn)程方式整合在一起的，不需要以機(jī)械方式鏈接車軸，因而有助于最大程度減小磨擦和輪胎滑移，減少輪胎磨損和能量損耗，實(shí)現(xiàn)簡單的機(jī)械鏈接無法完成的運(yùn)動。

反饋檢測和控制

每個(gè)車輪均有一個(gè)傳動軸，通過變速箱以機(jī)械方式耦合至傳動馬達(dá)，同時(shí)通過另一個(gè)變速箱耦合至光學(xué)編碼器，即測程反饋系統(tǒng)的輸入端。轉(zhuǎn)向軸將車軸耦合至另一伺服馬達(dá)，該馬達(dá)負(fù)責(zé)確立車輪的轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)向軸還將通過變速箱耦合至第二個(gè)光學(xué)編碼器，也即測程反饋系統(tǒng)的另一個(gè)輸入端。

導(dǎo)航系統(tǒng)使用一個(gè)擴(kuò)展卡爾曼濾波器，通過整合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)來估算行程圖上機(jī)器人的姿態(tài)。Seekur上的測程數(shù)據(jù)從車輪牽引和轉(zhuǎn)向編碼器(提供轉(zhuǎn)換)和MEMS陀螺儀(提供旋轉(zhuǎn))獲得。

測程

測程反饋系統(tǒng)利用光學(xué)編碼器對傳動和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的測量結(jié)果來估算機(jī)器人的位置、駛向和速度。圖3提供了將傳動軸光學(xué)編碼器的旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成線性位移(位置)變化的圖形參考和關(guān)系。

圖3：測程系統(tǒng)根據(jù)以上所示的關(guān)系，利用編碼器讀數(shù)確定線性位移

每個(gè)車輪的傳動軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測量結(jié)果在正向運(yùn)動學(xué)處理器中用阿克曼轉(zhuǎn)向公式進(jìn)行組合，從而產(chǎn)生駛向、偏轉(zhuǎn)速率、位置和線速度等測量數(shù)據(jù)。

該測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其檢測功能直接耦合至傳動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，因此可精確得知傳動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)。不過，該測量系統(tǒng)在車輛實(shí)際速度和方向方面的精度有限，除非有一組實(shí)際坐標(biāo)可參考。主要限制(或誤差源)在于輪胎幾何形狀一致性(圖3中直徑的精度和波動)，以及輪胎與地面之間的接觸中斷。輪胎幾何形狀取決于胎冠一致性、空氣壓力、溫度、重量及在正常機(jī)器人使用過程中可能發(fā)生變化的所有條件。輪胎滑移則取決于偏轉(zhuǎn)半徑、速度和表面一致性。

位置檢測

Seekur系統(tǒng)使用多種距離傳感器。對于室內(nèi)應(yīng)用，該系統(tǒng)采用270°激光掃描器為其環(huán)境構(gòu)建映射圖。激光系統(tǒng)通過能量返回模式和信號返回時(shí)間測量物體形狀、尺寸及與激光源的距離。

在映射模式中，激光系統(tǒng)通過將工作區(qū)內(nèi)多個(gè)不同位置的掃描結(jié)果組合，描述工作區(qū)特性(見圖4)。這樣便產(chǎn)生了物體位置、尺寸和形狀的映射圖，作為運(yùn)行時(shí)掃描的參考。
 

圖4：激光檢測可以映射周圍環(huán)境，如圖中所示的走廊-門-房間-儲物柜位置關(guān)系等

激光掃描器功能結(jié)合映射信息使用時(shí)，可提供精確的位置信息。該功能如果單獨(dú)使用，會存在一定限制，包括掃描時(shí)需要停機(jī)以及無法處理環(huán)境變化等等。在倉庫環(huán)境中，人員、叉車、托盤搬運(yùn)車及許多其他物體常常會改變位置，這可能影響到達(dá)目的地的速度，以及到達(dá)正確目的地的精度。

對于室外應(yīng)用，Seekur使用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行位置測量。全球定位系統(tǒng)通過至少四顆衛(wèi)星的無線電信號飛行時(shí)間對地球表面上的位置進(jìn)行三角測量。

信號可用時(shí)，此類系統(tǒng)的精度可達(dá)1米以內(nèi)。不過，這些系統(tǒng)難以滿足視線要求，可能受建筑、樹木、橋梁、隧道及許多其他類型的物體影響。某些情況下，如果室外物體位置和特性已知(如“城市峽谷”等)，則在GPS運(yùn)行中斷時(shí)也可使用雷達(dá)和聲納來協(xié)助進(jìn)行位置估算。即便如此，當(dāng)存在動態(tài)條件時(shí)，例如汽車經(jīng)過或正在施工，效果常常會受到影響。

GPS 位置檢測

MEMS角速率檢測

Seekur系統(tǒng)使用的MEMS陀螺儀可直接測量Seekur關(guān)于垂直(或偏航)軸的旋轉(zhuǎn)速率，該軸在Seekur導(dǎo)航參考坐標(biāo)系內(nèi)與地球表面垂直。用于計(jì)算相對駛向的數(shù)學(xué)關(guān)系式(式1)是固定周期內(nèi)(t1至t2)角速率測量結(jié)果的簡單積分。
 

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該方法的主要優(yōu)勢之一是連接至機(jī)器人機(jī)架的陀螺儀可測量車輛的實(shí)際運(yùn)動，而無需依靠齒輪比、齒隙、輪胎幾何形狀或表面接觸完整性。不過，駛向估算需要依靠傳感器精度，而該精度取決于偏置誤差、噪聲、穩(wěn)定性和靈敏度等關(guān)鍵參數(shù)。

固定偏置誤差ωBE轉(zhuǎn)換為駛向漂移速率，如式2所示：
 

偏置誤差可分為兩種：當(dāng)前誤差和條件相關(guān)誤差。Seekur系統(tǒng)估算的是未運(yùn)動時(shí)的當(dāng)前偏置誤差。這要求導(dǎo)航電腦能夠識別未執(zhí)行位置變化命令的狀態(tài)，同時(shí)還要方便進(jìn)行數(shù)據(jù)收集偏置估算和校正系數(shù)更新。該過程的精度取決于傳感器噪聲以及可用于收集數(shù)據(jù)并構(gòu)建誤差估算的時(shí)間。Allan方差曲線(見圖5)可提供偏置精度與均值時(shí)間之間的簡便關(guān)系。本例中，Seekur可將20秒內(nèi)的平均偏置誤差減小至0.01°/s以下，并可通過在約100秒的周期內(nèi)求均值來優(yōu)化估算結(jié)果。

圖5：Allan方差曲線（對應(yīng)器件為ADIS16265，它是一款與Seekur系統(tǒng)目前所用陀螺儀相似的iSensor MEMS器件）也有助于確定陀螺儀檢測的最佳積分時(shí)間

Allan方差關(guān)系式還有助于深入了解最佳積分時(shí)間(τ=t2–t1)。該曲線上的最低點(diǎn)通常被確定為運(yùn)行中偏置穩(wěn)定度。通過設(shè)置積分時(shí)間T，使其等于與所用陀螺儀的Allan方差曲線上最低點(diǎn)相關(guān)的積分時(shí)間，可優(yōu)化駛向估算結(jié)果。

包括偏置溫度系數(shù)在內(nèi)的條件相關(guān)誤差會影響性能，因此可決定需要每隔多久停止一次機(jī)器人的運(yùn)行，以更新其偏置校正。使用預(yù)校準(zhǔn)的傳感器有助于解決最常見的誤差源，例如溫度和電源變化。

例如，將ADIS16060改為預(yù)校準(zhǔn)的ADIS16265可能會增加尺寸、價(jià)格和功率，但可以將相對于溫度的穩(wěn)定性提高18倍。對于2°C溫度變化，ADIS16060的最大偏置為0.22°/s，而ADIS16265只有0.012°/s。

如以下關(guān)系式3所示，靈敏度誤差源與實(shí)際駛向變化成正比：
 

商用MEMS傳感器的額定靈敏度誤差通常在±5%至±20%以上，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)以減小這些誤差。例如ADIS16265和ADIS16135等預(yù)校準(zhǔn)MEMS陀螺儀的額定誤差小于±1%，在受控環(huán)境中甚至可以達(dá)到更高性能。