地面机械人体系平日用于人工介入成本过高、危险过大年夜或者效力过低的义务。在很多情况下，机械人必须可以或许自立工作，应用导航体系来监督并控制它年腋荷琐地位移到另一个地位。治理地位和活动时的精度是实现有效、靠得住的自立工作的关键。
MEMS(微机电体系)陀螺仪可供给反馈检测机制，对优化导航体系机能异常有效。图1所示的Seekur机械人体系就是一个采取先辈MEMS器件来改良导航机能的自立体系。

图1：Adept MobileRobots (www.mobilerobots.com)开辟的Seekur体系是一个采取先辈MEMS传感器的自立体系

机械人导航概述

机械人的移动平日是大年夜治理机械人总体义务进度的中心处理器发出地位变更请求开端的。导航体系经由过程制订行程筹划或轨迹以开端履行地位变更请求。


开辟导航体系的关键步调始于充分懂得每种功能，尤其须要看重其工作目标和限制。各项功能平日都有一些明白界定且易于履行的身分，但也会提出一些须要加以处理的具有挑衅性的限制。某些情况下，这可能是一个反复试探的过程，即辨认和处理限制的同时又会带来新的优化机会。

正向控制

如图2所示，正向控制是经由过程发出机械人本体敕令来实现的。这些敕令本质上是误差旌旗灯号，产生自轨迹筹划器供给的行程筹划与反馈检测体系供给的行程进度更新信息之间的差别。

图2：Seekur导航体系应用GPS、激光检测和MEMS陀螺仪来自力控制各个车轮

这些敕令被馈入逆向活动学体系，后者将机械人本体敕令转换成每个车轮的转向和速度设备文件。这些设备文件应用阿克曼转向关系进行计算，整合了轮胎直径、外面接触面积、间距和其他重要几何特点。

应用阿克曼转向道理和关系，上述机械人平台可创建以电子方法链接的转向角度设备文件，类似于很多汽车转向体系中应用的机械齿条-齿轮体系。因为这些关系是以长途方法整合在一路的，不须要以机械方法链接车轴，因而有助于最大年夜程度减小磨擦和轮胎滑移，削减轮胎磨损和能量损耗，实现简单的机械链接无法完成的活动。
反馈检测和控制

每个车轮均有一个传动轴，经由过程变速箱以机械方法耦合至传动马达，同时经由过程另一个变速箱耦合至光学编码器，即测程反馈体系的输入端。转向轴将车轴耦合至另一伺服马达，该马达负责确立车轮的转向角度。转向轴还精晓过变速箱耦合至第二个光学编码器，也即测程反馈体系的另一个输入端。

导航体系应用一个扩大卡尔曼滤波器，经由过程整合多个传感器的数据来估算行程图上机械人的姿势。Seekur上的测程数据大年夜车轮牵引和转向编码器(供给转换)和MEMS陀螺仪(供给扭转)获得。

测程

测程反馈体系应用光学编码器对传动和转向轴扭转的测量结不雅来估算机械人的地位、驶向和速度。图3供给了将传动轴光学编码器的扭转计数转换成线性位移(地位)变更的图形参考和关系。
行程筹划需推敲可用路径、已知障碍地位、机械人才能及任何相干的义务目标。例如，对于病院里的标本递送机械人，递送时光异常关键。行程筹划被馈入控制器，后者生成传动和偏向设备文件以便进行导航控制。这些设备文件可根据行程筹划履行动作和过程。该活动平日由若干检测体系进行监控，各检测体系均产生反馈旌旗灯号；反馈控制器将旌旗灯号组归并转换成更新后的行程筹划和前提。

图3：测程体系根据以上所示的关系，应用编码器读数肯定线性位移

每个车轮的传动轴和转向轴编码器测量结不雅在正向活动学处理器顶用阿克曼转向公式进行组合，大年夜而产生驶向、偏转速度、地位和线速度等测量数据。
该测量体系的长处在于其检测功能直接耦合至传动和转向控制体系，是以可精确得知传动和转向控制体系的状况。不过，该测量体系在车辆实际速度和偏向方面的精度有限，除非有一组实际坐标可参考。重要限制(或误差源)在于轮胎几何外形一致性(图3中直径的精度和波动)，以及轮檀竽暌闺地面之间的接触中断。轮胎几何外形取决于胎冠一致性、空气压力、温度、重量及在正常机械人应用过程中可能产生变更的所有前提。轮胎滑移则取决于偏转半径、速度和外面一致性。

地位检测

Seekur体系应用多种距离传感器。对于室内应用，该体系采取270°激光扫描器为其情况构英国沃森WSEN进口传感器建映射图。激光体系经由过程能量返回模式和旌旗灯号返回时光测量物体外形、尺寸及与激光源的距离。


图4：激光检测可以映射四周情况，如图中所示的走廊-门-房间-储物柜地位关系等

激光扫描器功能结合映射信息应用时，可供给精确的地位信息。该功能如不雅零丁应用，会存在必定限制，包含扫描时须要停机以及无法处理情况变更等等。在仓库情况中，人员、叉车、托盘搬运车及很多其他物体经常会改变地位，这可能影响达到目标地的速度，以及达到精确目标地的精度。
旌旗灯号可用时，词攀类体系的精度可达1米以内。不过，这些体系难以知足视线请求，可能受建筑、树木、桥梁、地道及很多其他类型的物体影响。某些情况下，如不雅室外物体地位和特点已知(如“城市峡谷”等)，则在GPS运行中断时也可应用雷达和声纳来协助进行地位估算。即便如斯，当存在动态前提时，例如汽车经由或正在施工，效不雅经常会受到影响。

对于室外应用，Seekur应用全球定位体系(GPS)进行地位测量。全球定位体系经由过程至少四颗卫星的无线电旌旗灯号飞翔时光对地球外面上的地位进行三角测量。

GPS 地位检测

MEMS角速度检测

Seekur体系应用的MEMS陀螺仪可直接测量Seekur关于垂直(或偏航)轴的扭转速度，复故攀磊Seekur导航参考坐标系内与地球外面垂直。用于计算相对驶向的数学关系式(式1)是固定周期内(t1至t2)角速度测量结不雅的简单积分。

该办法的重要优势之一是连接至机械人机架的陀螺仪可测量车辆的实际活动，而无需依附齿轮比、齿隙、轮胎几何外形或外面接触完全性。不过，驶向估算须要依附传感器精度，而该精度取决于偏置误差、噪声、稳定性和灵敏度等关键参数。

固定偏置误差ωBE转换为驶向漂移速度，如式2所示：

偏置误差可分为两种：当前误差和前提相干误差。Seekur体系估算的是未活动时的当前偏置误差。这请求导航电脑可以或许辨认未履行地位变更敕令的状况，同时还要便利进行数据收集偏置估算和校订系数更新。该过程的精度取决于传感器噪声以及可用于收集数据并构建误差估算的时光。Allan方差曲线(见图5)可供给偏置精度与均值时光之间的简便关系。本例中，Seekur可将20秒内的平均偏置误差减小至0.01°/s以下，并可经由过程在约100秒的周期内求均值来竽暌古化估算结不雅。

图5：Allan方差曲线（对应器件为ADIS16265，它是一款与Seekur体系今朝所用陀螺仪类似的iSensor MEMS器件）也有助于肯定陀螺仪检测的最佳积分时光

Allan方差关系式还有助于深刻懂得最佳积分时光(τ=t2–t1)。该曲线上的最低点平日被肯定为运行中偏置稳定度。经由过程设置积分时光T，使其等于与所用陀螺仪的Allan方差曲线上最低点相干的积分时光，可优化驶向估算结不雅。

包含偏置温度系数在内的前提相干误差会影响机能，是以可决定须要每隔多久停止一次机械人的运行，以更新其偏置校订。应用预校准的传感器有助于解决最常见的误差源，例如温度和档链变更。

例如，将ADIS16060改为预校准的ADIS16265可能会增长尺寸、价格和功率，但可以将相对于温度的稳定性进步18倍。对于2°C温度变更，ADIS16060的最大年夜偏置为0.22°/s，而ADIS16265只有0.012°/s。

如以下关系式3所示，灵敏度误差源竽暌闺实际驶向变更成正比：

商用MEMS传感器的额定灵敏度误差平日在±5%至±20%以上，是以须要进行校准以减小这些误差。例如ADIS16265和ADIS16135等预校准MEMS陀螺仪的额定误差小于±1%，在受控情况中甚至可以达到更高机能。

一般导航体系框图

以Adept MobileRobots Seekur为例，它是一个自立机械人，具有四轮传动体系，每个车轮均有自力转向和速度控制才能，可在任何程度偏向灵活地移动平台。它的惯性导航体系(INS)与图2所示的体系类似。
应用典范

仓库主动化体系今朝应用叉车和传送带体系移动材料，以治理库存并知足需求。叉车须要直接工资控制，而传送带体系则须要按期保护。

为使仓库价值最大年夜化，很多仓库正在进行从新设备，大年夜而为自立机械人平台的应用敞开了大年夜门。一组机械人仅须要更改软件、对机械人导航体系进行再培训就能适应新义务，完全不须要实施大年夜量工程功课来改革叉车和传送带体系。

仓库交货体系中的关键机能请求是机械人必须可以或许保持行程模式的一致性，并且可在有障碍物移动的动态情况下安然履行灵活动作，避免人员安然受到影响。为了解释在词攀类应用中MEMS陀螺仪反馈对Seekur的价值，Adept MobileRobots用实验方法分别展示了在不应用和应用MEMS陀螺仪反馈的情况下，Seekur维庄反复路径的机能(图6)。应留意，为了研究MEMS陀螺仪反馈的影响，该实验未采取GPS或激光扫描校订。

未应用 MEMS 陀螺仪反馈时的 Seekur 路径精度

在映射模式中，激光体系经由过程将工作区内多个不合地位的扫描结不雅组合，描述工作区特点(见图4)。如许便产生了物体地位、尺寸和外形的映射图，作为运行时扫描的参考。

应用 MEMS 陀螺仪反馈时的 Seekur 路径精度

比较图6的路径轨迹，很轻易看出两者在维前程径精度上的差别。应留意，这些实验中采取的是早期MEMS技巧，支撑约0.02°/s的稳定度。今朝的陀螺仪在雷同的成本、尺寸和功率程度下，机能可进步两到四倍。跟着这一趋势的延续，在反复路径上保持精确导航的才能将持续改良，这将为开辟更多市场和应用(例如病院标本和补给品递送)带来机会。

用机械人完成补给品护送

今朝美国国防高等研究筹划局(DARPA)在提案中仍强调更多地应用机械人技巧来晋升兵力。补给品护送就是这类应用的一个典范，此时军事护送部队裸露于敌方威逼之下，同时不得不按可猜测的模式迟缓移动。精确导航让机械人(如Seekur)可在补给品护送方面承担更多义务，削减途中人员的裸露危险。

一个关键机能指标是控制GPS运行中断前提，此时MEMS陀螺仪驶向反馈特别有效。最新Seekur导航技巧恰是针对这一情况而开辟的，它应用MEMS惯性测量单位(IMU)进步了精度，并且能在将来赓续采取地形治理和其他功能范畴的新技巧结不雅。

为了测试该体系在应用和不应用IMU时的陡位机能，对室外路径误差进行了记录和分析。图7比较下场应用测程法时相对于真实路径(源自GPS)的误介入在卡尔曼滤波器内结合应用测程法与IMU时的误差，后者的地位精度是前者的近15倍。

图7：比较仅应用测程法时（蓝色）和应用测程/IMU组合法时（绿色）的Seekur地位误差，

结不雅注解后一办法可以或许明显进步机能

将来成长

机械人平台开辟人员发明，MEMS 陀螺仪技巧为改良导航体系偏向估算和总体精度供给了经济高效的办法。预校准的体系就绪型器件使得简单的功能集成得以实现，有利于开辟工作顺利起步，并让工程师可集中精力开展体系优化。跟着 MEMS技巧持续改良陀螺仪噪声、稳定性和精度指标，精度和控制程度将赓续进步，大年夜而可为自立机械人平台持续拓展新的市场。诸如Seekur等体系的下一代开辟工作可大年夜陀螺仪过渡到完全集成的6自由度(6DoF) MEMS传感器。固然面向偏航的办法很有效，但世界毕竟不是平面的，今朝及将来典范多其他应用可以应用集成MEMS单位进行地形治理并进一步进步精度，并经由过程三个陀螺仪实现完全对准反馈和校订。(end)