MEMS陀螺儀和GPS模塊在移動機器人的應(yīng)用
地面機器人系統(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)視并控制它從一個位置移到另一個位置。管理位置和運動時的精度是實現(xiàn)有用、可靠的自主工作的關(guān)鍵。
MEMS(微機電系統(tǒng))陀螺儀可提供反饋檢測機制，對優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。
圖1 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(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)。
機器人導(dǎo)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)出位置變化請求開始的。導(dǎo)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(biāo)。例如，對于醫(yī)院里的標(biāo)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(dǎo)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。
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(fù)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。
以Adept Mobile Robots Seekur為例，它是一個自主機器人，具有四輪傳動系統(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)出機器人本體命令來實現(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。
圖2：Seekur導(dǎo)航系統(tǒng)利用GPS、激光檢測和MEMS陀螺儀來獨立控制各個車輪
這些命令被饋入逆向運動學(xué)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。
這些命令被饋入逆向運動學(xué)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。
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
每個車輪的傳動軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測量結(jié)果在正向運動學(xué)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)在車輛實際速度和方向方面的精度有限，除非有一組實際坐標(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(見圖4)。這樣便產(chǎn)生了物體位置、尺寸和形狀的映射圖，作為運行時掃描的參考。
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，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(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間對地球表面上的位置進行三角測量。
信號可用時，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運行中斷時也可使用雷達(dá)和聲納來協(xié)助進行位置估算。即便如此，當(dāng)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。
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。
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)估算的是未運動時的當(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。Allan方差曲線(見圖5)可提供偏置精度與均值時間之間的簡便關(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iSensorMEMS器件）也有助于確定陀螺儀檢測的最佳積分時間
Allan方差關(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T，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(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。
如以下關(guān)系式3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(zhǔn)以減小這些誤差。應(yīng)用范例
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。
為使倉庫價值最大化，許多倉庫正在進行重新配置，從而為自主機器人平臺的應(yīng)用敞開了大門。一組機器人僅需要更改軟件、對機器人導(dǎo)航系統(tǒng)進行再培訓(xùn)就能適應(yīng)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，并且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，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Seekur的價值，AdeptMobileRobots用實驗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，該實驗未采用GPS或激光掃描校正。
未使用MEMS陀螺儀反饋時的Seekur路徑精度
使用MEMS陀螺儀反饋時的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，這些實驗中采用的是早期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)更多市場和應(yīng)用(例如醫(yī)院標(biāo)本和補給品遞送)帶來機遇。
用機器人完成補給品護送
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(yīng)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(yù)測的模式緩慢移動。精確導(dǎo)航讓機器人(如Seekur)可在補給品護送方面承擔(dān)更多責(zé)任，減少途中人員的暴露危險。
一個關(guān)鍵性能指標(biāo)是控制GPS運行中斷條件，此時MEMS陀螺儀駛向反饋特別有用。最新Seekur導(dǎo)航技術(shù)正是針對這一環(huán)境而開發(fā)的，它使用MEMS慣性測量單元(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7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7：比較僅使用測程法時（藍(lán)色）和使用測程/IMU組合法時（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
機器人平臺開發(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單元進行地形管理并進一步提高精度，并通過三個陀螺儀實現(xiàn)完全對準(zhǔn)反饋和校正。
