MEMS陀螺儀和GPS模塊在移動機器人的應用

地面機器人系統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。在許多情況下，機器人必須能夠自主工作，利用導航系統來監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有用、可靠的自主工作的關鍵。

MEMS(微機電系統)陀螺儀可提供反饋檢測機制，對優化導航系統性能非常有用。

圖1 所示的Seekur機器人系統就是一個采用先進MEMS器件來改善導航性能的自主系統。

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進度的中央處理器發出位置變化請求開始的。導航系統通過制定行程計劃或軌跡以開始執行位置變化請求。

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的任務目標。例如，對于醫院里的標本遞送機器人，遞送時間非常關鍵。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行程計劃執行動作和進程。該運動通常由若干檢測系統進行監控，各檢測系統均產生反饋信號；反饋控制器將信號組合并轉換成更新后的行程計劃和條件。

開發導航系統的關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行的因素，但也會提出一些需要加以處理的具有挑戰性的限制。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，每個車輪均有獨立轉向和速度控制能力，可在任何水平方向靈活地移動平臺。它的慣性導航系統(INS)與圖2所示的系統相似。

正向控制

如圖2所示，正向控制是通過發出機器人本體命令來實現的。這些命令本質上是誤差信號，產生自軌跡規劃器提供的行程計劃與反饋檢測系統提供的行程進度更新信息之間的差異。

圖2：Seekur導航系統利用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系統，后者將機器人本體命令轉換成每個車輪的轉向和速度配置文件。這些配置文件使用阿克曼轉向關系進行計算，整合了輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要幾何特性。

利用阿克曼轉向原理和關系，上述機器人平臺可創建以電子方式鏈接的轉向角度配置文件，類似于許多汽車轉向系統中使用的機械齒條-齒輪系統。由于這些關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系統，后者將機器人本體命令轉換成每個車輪的轉向和速度配置文件。這些配置文件使用阿克曼轉向關系進行計算，整合了輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要幾何特性。

利用阿克曼轉向原理和關系，上述機器人平臺可創建以電子方式鏈接的轉向角度配置文件，類似于許多汽車轉向系統中使用的機械齒條-齒輪系統。由于這些關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。

測程

測程反饋系統利用光學編碼器對傳動和轉向軸旋轉的測量結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編碼器的旋轉計數轉換成線性位移(位置)變化的圖形參考和關系。

圖3：測程系統根據以上所示的關系，利用編碼器讀數確定線性位移

每個車輪的傳動軸和轉向軸編碼器測量結果在正向運動學處理器中用阿克曼轉向公式進行組合，從而產生駛向、偏轉速率、位置和線速度等測量數據。

該測量系統的優點在于其檢測功能直接耦合至傳動和轉向控制系統，因此可精確得知傳動和轉向控制系統的狀態。不過，該測量系統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生變化的所有條件。輪胎滑移則取決于偏轉半徑、速度和表面一致性。

位置檢測

Seekur系統使用多種距離傳感器。對于室內應用，該系統采用270°激光掃描器為其環境構建映射圖。激光系統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，激光系統通過將工作區內多個不同位置的掃描結果組合，描述工作區特性(見圖4)。這樣便產生了物體位置、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境，如圖中所示的走廊-門-房間-儲物柜位置關系等

激光掃描器功能結合映射信息使用時，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境變化等等。在倉庫環境中，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。

對于室外應用，Seekur使用全球定位系統(GPS)進行位置測量。全球定位系統通過至少四顆衛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，此類系統的精度可達1米以內。不過，這些系統難以滿足視線要求，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和聲納來協助進行位置估算。即便如此，當存在動態條件時，例如汽車經過或正在施工，效果常常會受到影響。

GPS位置檢測

MEMS角速率檢測

Seekur系統使用的MEMS陀螺儀可直接測量Seekur關于垂直(或偏航)軸的旋轉速率，該軸在Seekur導航參考坐標系內與地球表面垂直。用于計算相對駛向的數學關系式(式1)是固定周期內(t1至t2)角速率測量結果的簡單積分。

該方法的主要優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、穩定性和靈敏度等關鍵參數。固定偏置誤差ωBE轉換為駛向漂移速率，如式2所示：

偏置誤差可分為兩種：當前誤差和條件相關誤差。Seekur系統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行位置變化命令的狀態，同時還要方便進行數據收集偏置估算和校正系數更新。該過程的精度取決于傳感器噪聲以及可用于收集數據并構建誤差估算的時間。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系。本例中，Seekur可將20秒內的平均偏置誤差減小至0.01°/s以下，并可通過在約100秒的周期內求均值來優化估算結果。

圖5：Allan方差曲線（對應器件為ADIS16265，它是一款與Seekur系統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定度。通過設置積分時間T，使其等于與所用陀螺儀的Allan方差曲線上最低點相關的積分時間，可優化駛向估算結果。

包括偏置溫度系數在內的條件相關誤差會影響性能，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。

如以下關系式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，因此需要進行校準以減小這些誤差。應用范例

倉庫自動化系統目前使用叉車和傳送帶系統移動材料，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、對機器人導航系統進行再培訓就能適應新任務，完全不需要實施大量工程作業來改造叉車和傳送帶系統。

倉庫交貨系統中的關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環境下安全執行機動動作，避免人員安全受到影響。為了說明在此類應用中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維持重復路徑的性能(圖6)。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。

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。應注意，這些實驗中采用的是早期MEMS技術，支持約0.02°/s的穩定度。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，在重復路徑上維持精確導航的能力將繼續改善，這將為開發更多市場和應用(例如醫院標本和補給品遞送)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)在提案中仍強調更多地利用機器人技術來提升軍力。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，減少途中人員的暴露危險。

一個關鍵性能指標是控制GPS運行中斷條件，此時MEMS陀螺儀駛向反饋特別有用。最新Seekur導航技術正是針對這一環境而開發的，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域的新技術成果。

為了測試該系統在使用和不使用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結合使用測程法與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（藍色）和使用測程/IMU組合法時（綠色）的Seekur位置誤差，結果表明后一方法能夠顯著提高性能。

未來發展

機器人平臺開發人員發現，MEMS陀螺儀技術為改善導航系統方向估算和總體精度提供了經濟高效的方法。預校準的系統就緒型器件使得簡單的功能集成得以實現，有利于開發工作順利起步，并讓工程師可集中精力開展系統優化。隨著MEMS技術持續改善陀螺儀噪聲、穩定性和精度指標，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拓展新的市場。諸如Seekur等系統的下一代開發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完全對準反饋和校正。