簡介
Adept MobileRobots1項目經(jīng)理Seth Allen認為,，地面機器人系統(tǒng)必須常常處理“枯燥、骯臟,、危險”的工作,。換言之，機器人系統(tǒng)通常用于人工介入成本過高,、危險過大或者效率過低的任務(wù),。在許多情況下，機器人平臺的自主工作能力是一項極為重要的特性,，即通過導航系統(tǒng)來監(jiān)視并控制機器人從一個位置移到下一位置的運動,。管理位置和運動時的精度是實現(xiàn)高效自主工作的關(guān)鍵因素，MEMS（微機電系統(tǒng)）陀螺儀可提供反饋檢 測機制,，對優(yōu)化導航系統(tǒng)性能非常有用,。圖1中所示的Seekur®機器人系統(tǒng)就是一個采用先進MEMS器件來改善導航性能的自主系統(tǒng)。
圖 1. Adept MobileRobots 公司的 Seekur 系統(tǒng),。
機器人導航概述
機器人的移動通常是從管理機器人總體任務(wù)進度的中央處理器發(fā)出位置變化請求時開始的,。導航系統(tǒng)通過制定行程計劃或 軌跡以開始執(zhí)行位置變化請求。行程計劃需考慮可用路徑,、已知障礙位置,、機器人能力及任何相關(guān)的任務(wù)目標。（例如,，對于醫(yī)院里的標本遞送機器人,，遞送時間非常關(guān)鍵。）行程計劃被饋入控制器,，后者生成傳動和方向配置文件以便進行導航控制,。這些配置文件可根據(jù)行程計劃執(zhí)行動作和進程。該運動通常由若干檢測系統(tǒng)進行監(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劃和條件。圖2是一般導航系統(tǒng)的基本框圖,。
圖 2. 一般導航系統(tǒng)框圖。
開發(fā)導航系統(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和限制,。各項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,，這可能是一個反復試探的過程,，即識別和處理限制的同時又會帶來新的優(yōu)化機遇。通過一個實例可以清楚說明這一過程,。
Adept MobileRobots Seekur 機器人
Adept MobileRobots Seekur2是一款采用慣性導航系統(tǒng) (INS)的自主機器人,，參見圖3。該車輛具有4輪傳動系統(tǒng),，每個車輪均有獨立轉(zhuǎn)向和速度控制能力,，可在任何水平方向上靈活地移動平臺。此能力對于倉庫交貨系統(tǒng),、醫(yī)院標本/補給品遞送系統(tǒng)和軍隊增援系統(tǒng)等新興應用中的機器人車輛非常有用,。
圖 3. Adept MobileRobots Seekur 導航系統(tǒng)。
正向控制
機器人本體命令,，即主要誤差信號,，代表軌跡規(guī)劃器提供的行程計劃與反饋檢測系統(tǒng)提供的行程進度更新信息之間的差異。這些信號被饋入逆向運動學 系統(tǒng),，后者將機器人本體命令轉(zhuǎn)換成每個車輪的轉(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*進行計算，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)中使用的機械齒輪-齒條系統(tǒng)。由于這些關(guān)系是以遠程方式整合在一起的,，不需要以機械方式鏈接車軸,，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,，實現(xiàn)簡單的機械鏈接無法完成的運動,。
車輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
每個車輪均有一個驅(qū)動軸，通過變速箱以機械方式連接至驅(qū)動馬達,，同時通過另一個變速箱耦合至光學編碼器,，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,，該馬達負責確立車輪的轉(zhuǎn)向角度,。轉(zhuǎn)向軸還將通過變速箱耦合至第二個光學編碼器，也即測程反饋系統(tǒng)的另一個輸入端,。
反饋檢測和控制
導航系統(tǒng)使用一個增強的卡爾曼濾波器3,，通過結(jié)合多個傳感器的數(shù)據(jù)來估算行程圖上機器人的姿態(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)利用光學編碼器對驅(qū)動和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的測量結(jié) 果來估算機器人的位置,、駛向和速度,。在光學編碼器中，用一 個碟片阻擋內(nèi)部光源,，或者通過數(shù)千個微小窗口讓光源照射在 光傳感器上,。碟片旋轉(zhuǎn)時，便會產(chǎn)生一系列電脈沖,，這些脈沖通常被饋入計數(shù)器電路,。每旋轉(zhuǎn)一圈的計數(shù)次數(shù)等于碟片內(nèi)的 槽孔數(shù)目，因此可從編碼器電路的脈沖計數(shù)計算旋轉(zhuǎn)數(shù)（包括小數(shù)）,。圖4提供了將驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)計數(shù)轉(zhuǎn)換成線性位移（位置）變化的圖形參考和關(guān)系,。
圖 4. 測程線性位移關(guān)系。
每個車輪的驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測量結(jié)果在正向運動學 處 理器中用阿克曼轉(zhuǎn)向公式進行組合,，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)點在于其檢測功能直接與驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)相結(jié)合,，因此可精確得知驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)。不過,， 除非可參考一組實際坐標,，否則該測量系統(tǒng)在車輛實際速度和方向方面的精度有限。主要限制（或誤差源）在于輪胎幾何形狀一致性（圖 4 中 D 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、胎壓,、溫度,、重量及在正常機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)多個不同位置的掃描結(jié)果組合，描述工作區(qū)特性（圖 5）,。這樣便產(chǎn)生了物體位置,、 尺寸和形狀的映射圖,，作為運行時掃描的參考。激光掃描器功能結(jié)合映射信息使用時,，可提供精確的位置信息。該功能如果單獨使用,，會存在一定限制,，包括掃描時需要停機以及無法處理環(huán)境變化等等。在倉庫環(huán)境中,，人員,、叉車、托盤搬運車及許多其他物體常常會改變位置,，這可能影響到達目的地的速度,，以及到達正確目的地的精度。
圖 5. 激光映射,。
對于室外應用,，Seekur使用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行位置測量（圖 6）。全球定位系統(tǒng)通過至少四個衛(wèi)星的無線電信號傳播 時間對地球表面上的位置進行三角測量,，精度可達±1 m以內(nèi),。 不過，這些系統(tǒng)難以滿足無阻擋 的要求,，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，室外物 體位置和特性已知（“城市峽谷”）,，則在 GPS 運行中斷時也可使用雷達和聲納來協(xié)助進行位置估算,。即便如此，當存在動態(tài)條件時,，例如汽車經(jīng)過或正在施工,，效果常常會受到影響。
圖 6. 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)于偏航（垂直）軸的旋轉(zhuǎn)速率,，該軸在Seekur導航參考坐標系內(nèi)與地球表面垂直。用于計算相對駛向的數(shù)學關(guān)系式是固定時間內(nèi)(t1至 t2)角速率測量結(jié)果的簡單積分,。
該方法的主要優(yōu)勢之一是連接至機器人機架的陀螺儀可測量車輛的實際運動,，而無需依靠齒輪比、齒輪隙,、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)。 固定偏置誤差轉(zhuǎn)換為駛向漂移速率,，如包含偏置誤差ωBE的下 列關(guān)系式所示：
偏置誤差可分為兩種：當前誤差 和條件相關(guān)誤差,。Seekur系統(tǒng)估算的是未運動時的當前偏置誤差。這要求導航電腦能夠識 別未執(zhí)行位置變化命令的狀態(tài),，同時還要方便進行數(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)建誤差估算的時間。如圖7所示,，Allan方差曲線提供了偏置精度與求均值時間之間的簡便關(guān)系式,，進 而確定了ADIS16265的關(guān)系式。ADIS16265是一款與Seekur系統(tǒng)目前所用的陀螺儀類似的iSensor® MEMS器件,。本例中,，Seekur可將20秒內(nèi)的平均偏置誤差減小至0.01°/秒以下，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 7. ADIS16265 Allan 方差曲線,。
Allan 方差 4 關(guān)系式還有助于深入了解最佳積分時間(τ = t2 – t1)。該曲線上的最低點通常被確定為運行中偏置穩(wěn)定度,。通過 設(shè)置積分時間 ,，使其等于與所用陀螺儀的Allan方差曲線上最低點相關(guān)的積分時間，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,，因此它們 可決定需要每隔多久停止一次機器人的運行，以更新其偏置校正,。使用預校準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改為預校準的ADIS16265可能會增加尺寸,、價格和功率，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°/秒，而ADIS16265只有0.012°/秒,。
如以下關(guān)系式所示,，靈敏度誤差源與實際駛向變化成正比：
商用MEMS傳感器的額定靈敏度誤差通常在±5%至±20%以 上，因此需要進行校準以減小這些誤差,。例如ADIS16265和 ADIS16135等預校準MEMS5陀螺儀的額定誤差小于±1%,，在 受控環(huán)境中甚至可以達到更高性能,。
應用范例：
倉庫庫存交貨
倉庫自動化系統(tǒng)目前使用叉車和傳送帶系統(tǒng)移動材料，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。為了最大化倉庫價值,，許多倉庫正在進行重新配 置,，從而為自主機器人平臺的應用敞開了大門。一組機器人僅 需要更改軟件,、對機器人導航系統(tǒng)進行再培訓就能適應新任務(wù)，完全不需要實施大量工程作業(yè)來改造叉車和傳送帶系統(tǒng),。倉庫 交貨系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能要求是機器人必須能夠保持行程模式的 一致性,，可在有障礙物移動的動態(tài)環(huán)境下安全執(zhí)行機動動作， 并且保證人員安全,。為了說明在此類應用中MEMS陀螺儀反饋 對Seekur的價值,，Adept MobileRobots用實驗方式分別展示了在不使用（圖 8）和使用（圖 9）MEMS陀螺儀反饋的情況下，Seekur保持重復路徑的能力,。應注意,，為了研究MEMS陀螺儀反饋的影響，該實驗未采用GPS或激光掃描校正,。
圖 8. 未使用MEMS陀螺儀反饋時的Seekur路徑精度,。
圖 9. 使用MEMS陀螺儀反饋時的Seekur路徑精度。
比較圖8和圖9中的路徑軌跡,，很容易看出兩者在保持路徑精度上的差異,。應注意，這些實驗中采用的是早期MEMS技術(shù),， 支持~0.02°/秒的穩(wěn)定度,。目前的陀螺儀在相同成本、尺寸和功率水平下性能可提高2到4倍,。隨著這一趨勢的延續(xù),，在重復 路徑上維持精確導航的能力將繼續(xù)改善，這將為開發(fā)更多市場和應用（例如醫(yī)院標本/補給品遞送）帶來機遇,。
補給品護送
目前美國國防高級研究計劃局(DARPA)在提案中仍強調(diào)更多地利用機器人技術(shù)來提升軍力,。補給品護送便是這類應用的一 個范例，此時軍事護送隊伍暴露于敵方威脅之下,，同時不得不按可預測的模式緩慢移動,。精確導航讓機器人（如Seekur）可在補給品護送方面承擔更多責任，減少途中人員的安全威脅,。 一個關(guān)鍵性能指標是對GPS中斷情況的管理能力,，此時MEMS陀螺儀駛向反饋特別有用,。最新Seekur導航技術(shù)正是針對這一環(huán)境而開發(fā)的，它使用MEMS慣性測量單元(IMU)6 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,。
為了測試該系統(tǒng)在使用和不使用IMU時的定位性能，對室外 路徑誤差進行了記錄和分析,。圖10比較了僅使用測程法時相 對于真實路徑（源自 GPS）的誤差與在卡爾曼濾波器內(nèi)結(jié)合使用測程法與 IMU時的誤差,。后者的位置精度是前者的近15倍。
圖 10. 使用測程法/IMU（綠色）與僅使用測程法（藍色）的 Seekur 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)為改善導航系統(tǒng)方向估算和總體精度提供了經(jīng)濟高效的方法。預校準的系統(tǒng) 就緒型器件使得簡單的功能集成得以實現(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,，精度和控制水平將不斷提高，從而可為自主機器人平臺繼續(xù)拓展新的市場,。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，但世界畢竟不是平面的,；目前及未來的許多其他 應用均可利用MEMS IMU進行地形管理和進一步的精度改進,，并通過三個陀螺儀實現(xiàn)完全對準反饋和校正。