淺析移動機器人自主工作所需要的傳感器

Adept MobileRobots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。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的任務目標。(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Kalman filter3，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系。

圖4. 測程線性位移關系。

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的下列關系式所示：

偏置誤差可分為兩種：當前誤差和條件相關誤差。Seekur系統(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系式，進而確定了ADIS16265的關系式。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。通過設置積分時間τ，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(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，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，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導航技術正是針對這一環(huán)境而開發(fā)的，它使用MEMS慣性測量單元(IMUs)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域的新技術成果。

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。