地面機器人系統(tǒng)必須經(jīng)常處理“沉悶，骯臟和危險”的任務(wù)，Adept MobileRobots的項目經(jīng)理Seth Allen表示。換句話說，機器人系統(tǒng)通常用于人類直接參與太昂貴、太危險或效率低下的任務(wù)。在許多情況下，機器人平臺自主操作的能力是一項有價值的功能，在從一個位置移動到下一個位置時，使用導(dǎo)航系統(tǒng)來監(jiān)測和控制它們的運動。管理位置和運動的準(zhǔn)確性是實現(xiàn)真正有用的自主操作的關(guān)鍵因素，MEMS（微機電系統(tǒng)）陀螺儀提供了一種反饋傳感機制，在優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能方面非常有用。圖1所示的Seekur機器人系統(tǒng)是采用先進MEMS器件來提高導(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)示例。

機器人導(dǎo)航概述

機器人運動通常從來自中央處理器的位置更改請求開始，中央處理器正在管理機器人整體任務(wù)的進度。導(dǎo)航系統(tǒng)通過制定行程計劃或軌跡開始執(zhí)行位置更改請求。旅行計劃考慮了可用路徑、已知障礙物位置、機器人能力和任何相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)。（例如，分娩時間對于醫(yī)院的標(biāo)本遞送機器人至關(guān)重要。行程計劃被輸入控制器，控制器生成用于導(dǎo)航控制的驅(qū)動和方向配置文件。這些配置文件導(dǎo)致與計劃相關(guān)的運動和進展。運動通常由許多傳感系統(tǒng)監(jiān)控，每個傳感系統(tǒng)產(chǎn)生反饋信號;反饋控制器將它們組合并轉(zhuǎn)換為更新的旅行計劃和條件。圖2是通用導(dǎo)航系統(tǒng)的基本框圖。

圖2.通用導(dǎo)航系統(tǒng)。

開發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟始于對每個功能的良好理解，特別強調(diào)其操作目標(biāo)和局限性。每個功能通常都有一些明確定義且易于執(zhí)行的方面，但也提供了需要管理的挑戰(zhàn)性限制。在某些情況下，此過程可以是迭代的，其中識別和處理限制可以為優(yōu)化提供新的機會。描述此過程的最佳方式是通過示例。

熟練的移動機器人尋求者

Adept MobileRobots Seekur是一種自主機器人，它使用類似于圖3所示的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。該車輛具有四輪驅(qū)動系統(tǒng)，每個車輪具有獨立的轉(zhuǎn)向和速度控制，提供了在任何水平方向上移動平臺的靈活性。這種能力對于倉庫交付系統(tǒng)、醫(yī)院標(biāo)本/供應(yīng)交付系統(tǒng)和軍事力量增強系統(tǒng)等新興應(yīng)用中的機器人車輛很有價值。

圖3.熟練的移動機器人搜索導(dǎo)航系統(tǒng)。

前向控制

機器人本體命令是主要的誤差信號，表示軌跡規(guī)劃器提供的行程計劃與反饋傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的行程進度更新之間的差異。它們被送入反向運動學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將機器人身體命令轉(zhuǎn)換為每個車輪的轉(zhuǎn)向和速度曲線。這些輪廓是使用阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系*計算的，其中包括輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要的幾何特征。阿克曼轉(zhuǎn)向原理和關(guān)系使這些機器人平臺能夠創(chuàng)建電子連接的轉(zhuǎn)向角度輪廓，類似于許多汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中使用的機械齒輪齒條系統(tǒng)。遠(yuǎn)程整合這些關(guān)系，無需對車軸進行機械連接，有助于最大限度地減少摩擦和輪胎打滑，提供減少輪胎磨損和能量損失的好處，并允許簡單的機械連桿無法實現(xiàn)的運動。

車輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

每個車輪都有一個驅(qū)動軸，該驅(qū)動軸通過齒輪箱機械耦合到其驅(qū)動電機，并通過另一個齒輪箱連接到光學(xué)編碼器，光學(xué)編碼器是測程反饋系統(tǒng)的輸入。轉(zhuǎn)向軸將車軸連接到另一個伺服電機，從而確定車輪的轉(zhuǎn)向角。轉(zhuǎn)向軸還通過齒輪箱耦合到第二個光學(xué)編碼器，齒輪箱為測程反饋系統(tǒng)提供另一個輸入。

反饋傳感和控制

導(dǎo)航系統(tǒng)使用擴展的卡爾曼濾波器，通過組合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)來估計機器人在地圖上的姿勢。Seekur上的測程數(shù)據(jù)來自車輪牽引力和轉(zhuǎn)向編碼器（提供平移）以及提供旋轉(zhuǎn)的MEMS陀螺儀。

里程計

測程反饋系統(tǒng)使用光學(xué)編碼器測量驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)來估計機器人的位置、航向和速度。在光學(xué)編碼器中，圓盤阻擋內(nèi)部光源或允許它通過數(shù)千個微小的開口照射在光傳感器上。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，它會產(chǎn)生一系列電脈沖，這些電脈沖通常被饋入計數(shù)器電路。每次旋轉(zhuǎn)的計數(shù)數(shù)等于圓盤中的插槽數(shù)，這允許根據(jù)編碼器電路的脈沖計數(shù)計算旋轉(zhuǎn)次數(shù)（包括分?jǐn)?shù)）。圖 4 提供了將驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)計數(shù)轉(zhuǎn)換為線性位移（位置）變化的圖形參考和關(guān)系。

圖4.測程法線性-位移關(guān)系。

每個車輪的驅(qū)動橋和轉(zhuǎn)向軸編碼器測量值在前向運動學(xué)處理器中組合，使用阿克曼轉(zhuǎn)向公式，產(chǎn)生航向、轉(zhuǎn)彎率、位置和線速度測量值。

該測量系統(tǒng)的優(yōu)點是其傳感功能直接耦合到驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，因此可以準(zhǔn)確地知道它們的狀態(tài)。但是，除非參考一組真實世界的坐標(biāo)，否則其在車輛實際速度和方向方面的精度是有限的。主要限制或誤差來源在于輪胎幾何形狀的一致性（圖4中D的精度和變化）以及輪胎與地面之間接觸的斷裂。輪胎幾何形狀取決于胎面一致性、氣壓、溫度和重量——在機器人正常使用過程中，所有這些條件都會發(fā)生變化。輪胎打滑取決于轉(zhuǎn)彎半徑、速度和表面一致性。

位置感應(yīng)

Seekur系統(tǒng)使用各種距離傳感器。對于室內(nèi)應(yīng)用，它采用270°激光掃描儀來構(gòu)建其環(huán)境地圖。激光系統(tǒng)使用返回能量模式和信號返回時間來測量物體的形狀、大小和與激光源的距離。在映射模式下，它通過組合來自工作區(qū)中許多不同位置的掃描結(jié)果來表征其工作區(qū)（圖 5）。這將生成對象位置、大小和形狀的映射，用作運行時掃描的參考。當(dāng)與映射信息結(jié)合使用時，激光掃描儀功能可提供準(zhǔn)確的位置信息。如果單獨使用，它將受到限制，包括掃描的停止時間和無法管理不斷變化的環(huán)境。在倉庫環(huán)境中，人員、叉車、托盤搬運車和許多其他物體經(jīng)常改變位置，這可能會影響到達目的地的速度，甚至影響到達正確目的地的準(zhǔn)確性。

圖5.激光測繪。

對于戶外應(yīng)用，Seekur使用全球定位系統(tǒng)（GPS）進行位置測量（圖6）。這些系統(tǒng)使用來自至少四顆衛(wèi)星的無線電信號的飛行時間來對地球表面上的位置進行三角測量。如果可用，它們可以提供 1 m 以內(nèi)的精度水平。然而，這些系統(tǒng)受到視線要求的限制，這些要求可能會受到建筑物、樹木、橋梁、隧道和許多其他類型的物體的阻礙。在某些情況下，在已知室外物體位置和特征（城市峽谷）的情況下，雷達和聲納也可用于補充 GPS 中斷期間的位置估計。即便如此，當(dāng)存在動態(tài)條件時，例如汽車經(jīng)過或施工，有效性往往有限。

圖6.全球定位系統(tǒng)位置感應(yīng)。

微機電系統(tǒng)角速率檢測

Seekur系統(tǒng)中使用的MEMS陀螺儀可以直接測量Seekur繞偏航（垂直）軸的旋轉(zhuǎn)速率，該旋轉(zhuǎn)速率在Seekur導(dǎo)航參考系中垂直于地球表面。計算相對航向的數(shù)學(xué)關(guān)系是固定周期內(nèi)角速率測量值的簡單積分（t1到 T2).

這種方法的主要優(yōu)點之一是陀螺儀連接到機器人框架上，可以測量車輛的實際運動，而無需依賴齒輪比、齒隙、輪胎幾何形狀或表面接觸完整性。但是，航向估計確實依賴于傳感器精度，這是以下關(guān)鍵參數(shù)的函數(shù)：偏置誤差、噪聲、穩(wěn)定性和靈敏度。固定偏置誤差轉(zhuǎn)換為航向漂移率，如以下關(guān)系所示，包括偏置誤差ω是:

偏置誤差可分為兩類：電流誤差和條件相關(guān)誤差。Seekur系統(tǒng)在不運動時估計當(dāng)前的偏置誤差。這要求導(dǎo)航計算機識別何時沒有執(zhí)行位置變化命令，并促進數(shù)據(jù)收集偏差估計和校正因子更新。此過程的準(zhǔn)確性取決于傳感器噪聲以及可用于收集數(shù)據(jù)和制定誤差估計的時間量。Allan 方差曲線提供了偏置精度和平均時間之間的便捷關(guān)系，如圖 7 所示，它捕獲了 ADIS16265 的關(guān)系，ADIS0 是一款 iSensor MEMS 器件，類似于 Seekur 系統(tǒng)中目前使用的陀螺儀。在這種情況下，Seekur可以將偏置誤差降低到01.20°/秒以下，平均超過100秒，并且可以通過平均約<>秒來優(yōu)化估計。?

圖7.ADIS16265 艾倫方差曲線。

艾倫方差關(guān)系還提供了對最佳積分時間 （τ = t2– 噸1).該曲線上的最小點通常標(biāo)識為運行中偏置穩(wěn)定性。通過將積分時間 τ 設(shè)置為與正在使用的陀螺儀的艾倫方差曲線上的最小點關(guān)聯(lián)的積分時間，可以優(yōu)化航向估計值。

由于它們會影響性能，因此與條件相關(guān)的誤差（例如偏置溫度系數(shù)）可以確定機器人必須停止更新其偏置校正的頻率。使用預(yù)先校準(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，從ADIS16060更改為預(yù)校準(zhǔn)的ADIS16265可能會逐步增加尺寸、價格和功耗，但溫度穩(wěn)定性提高了18×。溫度變化為2°C時，ADIS0的最大偏置為22.16060°/秒，而ADIS0的最大偏置降至012.16265°/秒。

靈敏度誤差源與航向的實際變化成正比，如下圖所示：

商用MEMS傳感器通常提供±5%至±20%以上的靈敏度誤差規(guī)格，因此需要校準(zhǔn)以最小化這些誤差。ADIS16265和ADIS16135等預(yù)校準(zhǔn)MEMS陀螺儀的規(guī)格低于±1%，在受控環(huán)境中性能更好。

應(yīng)用示例：

倉庫庫存交付

倉庫自動化目前使用叉車和皮帶系統(tǒng)來移動物料，以組織庫存和滿足需求。叉車需要直接的人工控制，皮帶系統(tǒng)需要定期維護。為了實現(xiàn)最大的倉庫價值，許多倉庫正在重新配置，這一過程為自主機器人平臺打開了大門。機器人車隊不需要大量的建設(shè)工作來修改叉車和皮帶系統(tǒng)，而只需要更改軟件并重新訓(xùn)練機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)以完成其新任務(wù)。倉庫交付系統(tǒng)的關(guān)鍵性能要求是機器人能夠在動態(tài)環(huán)境中保持一致的行進模式并安全地操縱，在這種環(huán)境中，障礙物移動并且人身安全不會受到損害。為了證明MEMS陀螺儀反饋在此類應(yīng)用中對Seekur的價值，Adept MobileRobots進行了一項實驗，以了解Seekur在沒有（圖8）和（圖9）MEMS陀螺儀反饋的情況下保持重復(fù)路徑的程度。值得注意的是，該實驗是在沒有GPS或激光掃描校正的情況下進行的，目的是研究MEMS陀螺儀反饋的影響。

圖8.導(dǎo)引頭路徑精度，無MEMS陀螺儀反饋。

圖9.導(dǎo)引道精度，MEMS陀螺儀反饋啟用。

在比較圖8和圖9中的路徑跡線時，很容易看出保持路徑精度的差異。值得注意的是，這些實驗是在支持~0.02°/秒穩(wěn)定性的早期MEMS技術(shù)上運行的。目前的陀螺儀可在相同的成本、尺寸和功率水平下實現(xiàn) 2× 至 4× 的性能提升。隨著這一趨勢的繼續(xù)，在重復(fù)路徑上保持準(zhǔn)確導(dǎo)航的能力將繼續(xù)提高，從而開辟更多的市場和應(yīng)用，例如醫(yī)院的標(biāo)本和供應(yīng)品交付。

補給車隊

目前的DARPA計劃繼續(xù)呼吁更多的機器人技術(shù)來幫助力量倍增。補給車隊是此類應(yīng)用的一個例子，其中軍事車隊面臨相反的威脅，同時被迫以緩慢、可預(yù)測的模式移動。精確的導(dǎo)航使機器人（如Seekur）能夠在補給車隊中承擔(dān)更多責(zé)任，從而減少人類在其路徑上受到威脅的風(fēng)險。MEMS陀螺儀航向反饋特別有用的一個關(guān)鍵性能指標(biāo)是管理GPS中斷條件。針對這種環(huán)境的最新Seekur導(dǎo)航工作采用了MEMS慣性測量單元（IMU），以提高精度，并能夠整合未來的集成進步 - 用于地形管理和其他功能領(lǐng)域。

為了測試該系統(tǒng)在有和沒有IMU的情況下定位情況，記錄和分析了室外路徑的誤差。圖10顯示了測程法的誤差（相對于真實路徑（來自GPS））與卡爾曼濾波器中里程計和IMU組合時的誤差的比較。在后一種情況下，定位精度提高了近 15×。

圖 10.使用測程法/IMU（綠色）與僅測程法（藍色）的導(dǎo)引道位置誤差。

結(jié)論

機器人平臺開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，MEMS陀螺儀技術(shù)為提高導(dǎo)航系統(tǒng)的方向估計和整體精度提供了經(jīng)濟高效的方法。預(yù)校準(zhǔn)的系統(tǒng)就緒器件的可用性可實現(xiàn)簡單的功能集成，從而在開發(fā)過程中取得早期成功，并使工程師能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)優(yōu)化。隨著MEMS技術(shù)不斷改進陀螺儀的噪聲、穩(wěn)定性和精度規(guī)格，它將繼續(xù)實現(xiàn)更高水平的精度和控制，這可能會繼續(xù)為自主機器人平臺開辟新的市場。Seekur等系統(tǒng)的下一代開發(fā)可以從陀螺儀轉(zhuǎn)向完全集成的MEMS IMU/6自由度（6DoF）傳感器。雖然面向偏航的方法很有用，但世界并不是平的;許多其他應(yīng)用，無論是現(xiàn)有的還是未來的，都可以將MEMS IMU用于地形管理和額外的精度改進，三個陀螺儀可實現(xiàn)完全對準(zhǔn)反饋和校正。

審核編輯：郭婷