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(dòng)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(cè)機(jī)制，對(duì)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(dòng)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(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(dòng)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(dòng)作和進(jìn)程。該運(yùn)動(dòng)通常由若干檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測(cè)系統(tǒng)均產(chǎn)生反饋信號(hào)；反饋控制器將信號(hào)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(huì)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(shí)別和處理限制的同時(shí)又會(huì)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(dòng)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(dòng)平臺(tái)。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(hào)，產(chǎn)生自軌跡規(guī)劃器提供的行程計(jì)劃與反饋檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(tái)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(dòng)。
反饋檢測(cè)和控制
每個(gè)車輪均有一個(gè)傳動(dòng)軸，通過變速箱以機(jī)械方式耦合至傳動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)程
測(cè)程反饋系統(tǒng)利用光學(xué)編碼器對(duì)傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的測(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測(cè)量結(jié)果在正向運(yùn)動(dòng)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(cè)量數(shù)據(jù)。
該測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其檢測(cè)功能直接耦合至傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，因此可精確得知傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)。不過，該測(cè)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(dòng))，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(cè)
Seekur系統(tǒng)使用多種距離傳感器。對(duì)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(hào)返回時(shí)間測(cè)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(cè)可以映射周圍環(huán)境，如圖中所示的走廊-門-房間-儲(chǔ)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(huì)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(huì)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(duì)于室外應(yīng)用，Seekur使用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行位置測(cè)量。全球定位系統(tǒng)通過至少四顆衛(wèi)星的無線電信號(hào)飛行時(shí)間對(duì)地球表面上的位置進(jìn)行三角測(cè)量。
信號(hào)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(dòng)態(tài)條件時(shí)，例如汽車經(jīng)過或正在施工，效果常常會(huì)受到影響。
GPS 位置檢測(cè)
MEMS角速率檢測(cè)
Seekur系統(tǒng)使用的MEMS陀螺儀可直接測(cè)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(duì)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(cè)量結(jié)果的簡單積分。
該方法的主要優(yōu)勢(shì)之一是連接至機(jī)器人機(jī)架的陀螺儀可測(cè)量車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，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(dòng)時(shí)的當(dāng)前偏置誤差。這要求導(dǎo)航電腦能夠識(shí)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(duì)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(cè)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(huì)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(huì)增加尺寸、價(jià)格和功率，但可以將相對(duì)于溫度的穩(wěn)定性提高18倍。對(duì)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。
應(yīng)用范例
倉庫自動(dòng)化系統(tǒng)目前使用叉車和傳送帶系統(tǒng)移動(dòng)材料，以管理庫存并滿足需求。叉車需要直接人為控制，而傳送帶系統(tǒng)則需要定期維護(hù)。
為使倉庫價(jià)值最大化，許多倉庫正在進(jìn)行重新配置，從而為自主機(jī)器人平臺(tái)的應(yīng)用敞開了大門。一組機(jī)器人僅需要更改軟件、對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行再培訓(xùn)就能適應(yīng)新任務(wù)，完全不需要實(shí)施大量工程作業(yè)來改造叉車和傳送帶系統(tǒng)。
倉庫交貨系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能要求是機(jī)器人必須能夠保持行程模式的一致性，并且可在有障礙物移動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境下安全執(zhí)行機(jī)動(dòng)動(dòng)作，避免人員安全受到影響。為了說明在此類應(yīng)用中MEMS陀螺儀反饋對(duì)Seekur的價(jià)值，Adept MobileRobots用實(shí)驗(yàn)方式分別展示了在不使用和使用MEMS陀螺儀反饋的情況下，Seekur維持重復(fù)路徑的性能(圖6)。應(yīng)注意，為了研究MEMS陀螺儀反饋的影響，該實(shí)驗(yàn)未采用GPS或激光掃描校正。
未使用 MEMS 陀螺儀反饋時(shí)的 Seekur 路徑精度
使用 MEMS 陀螺儀反饋時(shí)的 Seekur 路徑精度
比較圖6的路徑軌跡，很容易看出兩者在維持路徑精度上的差異。應(yīng)注意，這些實(shí)驗(yàn)中采用的是早期MEMS技術(shù)，支持約0.02°/s的穩(wěn)定度。目前的陀螺儀在相同的成本、尺寸和功率水平下，性能可提高兩到四倍。隨著這一趨勢(shì)的延續(xù)，在重復(fù)路徑上維持精確導(dǎo)航的能力將繼續(xù)改善，這將為開發(fā)更多市場(chǎng)和應(yīng)用(例如醫(yī)院標(biāo)本和補(bǔ)給品遞送)帶來機(jī)遇。
用機(jī)器人完成補(bǔ)給品護(hù)送
目前美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)在提案中仍強(qiáng)調(diào)更多地利用機(jī)器人技術(shù)來提升軍力。補(bǔ)給品護(hù)送便是這類應(yīng)用的一個(gè)范例，此時(shí)軍事護(hù)送隊(duì)伍暴露于敵方威脅之下，同時(shí)不得不按可預(yù)測(cè)的模式緩慢移動(dòng)。精確導(dǎo)航讓機(jī)器人(如Seekur)可在補(bǔ)給品護(hù)送方面承擔(dān)更多責(zé)任，減少途中人員的暴露危險(xiǎn)。
一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是控制GPS運(yùn)行中斷條件，此時(shí)MEMS陀螺儀駛向反饋特別有用。最新Seekur導(dǎo)航技術(shù)正是針對(duì)這一環(huán)境而開發(fā)的，它使用MEMS
慣性測(cè)量單元(IMU)提高了精度，并且能在未來不斷采納地形管理和其他功能領(lǐng)域的新技術(shù)成果。
為了測(cè)試該系統(tǒng)在使用和不使用IMU時(shí)的定位性能，對(duì)室外路徑誤差進(jìn)行了記錄和分析。圖7比較了僅使用測(cè)程法時(shí)相對(duì)于真實(shí)路徑(源自GPS)的誤差與在卡爾曼濾波器內(nèi)結(jié)合使用測(cè)程法與IMU時(shí)的誤差，后者的位置精度是前者的近15倍。
圖7：比較僅使用測(cè)程法時(shí)（藍(lán)色）和使用測(cè)程/IMU組合法時(shí)（綠色）的Seekur位置誤差，
結(jié)果表明后一方法能夠顯著提高性能
未來發(fā)展
機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，MEMS 陀螺儀技術(shù)為改善導(dǎo)航系統(tǒng)方向估算和總體精度提供了經(jīng)濟(jì)高效的方法。預(yù)校準(zhǔn)的系統(tǒng)就緒型器件使得簡單的功能集成得以實(shí)現(xiàn)，有利于開發(fā)工作順利起步，并讓工程師可集中精力開展系統(tǒng)優(yōu)化。隨著 MEMS技術(shù)持續(xù)改善陀螺儀噪聲、穩(wěn)定性和精度指標(biāo)，精度和控制水平將不斷提高，從而可為自主機(jī)器人平臺(tái)繼續(xù)拓展新的市場(chǎng)。諸如Seekur等系統(tǒng)的下一代開發(fā)工作可從陀螺儀過渡到完全集成的6自由度(6DoF) MEMS傳感器。雖然面向偏航的方法很有用，但世界畢竟不是平面的，目前及未來的許多其他應(yīng)用可以利用集成MEMS單元進(jìn)行地形管理并進(jìn)一步提高精度，并通過三個(gè)陀螺儀實(shí)現(xiàn)完全對(duì)準(zhǔn)反饋和校正。
