慣性傳感器解決移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航

Adept MobileRobots項(xiàng)目經(jīng)理Seth Allen認(rèn)為，地面機(jī)器人系統(tǒng)必須常常處理＂枯燥、骯臟、危險(xiǎn)＂的工作。換言之，機(jī)器人系統(tǒng)通常用于人工介入成本過高、危險(xiǎn)過大或者效率過低的任務(wù)。在許多情況下，機(jī)器人平臺(tái)的自主工作能力是一項(xiàng)極為重要的特性，即通過導(dǎo)航系統(tǒng)來監(jiān)視并控制機(jī)器人從一個(gè)位置移到下一位置的運(yùn)動(dòng)。管理位置和運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度是實(shí)現(xiàn)高效自主工作的關(guān)鍵因素，MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）陀螺儀可提供反饋檢測機(jī)制， 對(duì)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。

圖1中所示的Seekur機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)采用先進(jìn)MEMS器件來改善導(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)。

圖1． Adept MobileRobots公司的Seekur系統(tǒng)。

機(jī)器人的移動(dòng)通常是從管理機(jī)器人總體任務(wù)進(jìn)度的中央處理器發(fā)出位置變化請(qǐng)求時(shí)開始的。導(dǎo)航系統(tǒng)通過制定行程計(jì)劃或軌跡以開始執(zhí)行位置變化請(qǐng)求。行程計(jì)劃需考慮可用路徑、已知障礙位置、機(jī)器人能力及任何相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)。（例如，對(duì)于醫(yī)院里的標(biāo)本遞送機(jī)器人，遞送時(shí)間非常關(guān)鍵。）行程計(jì)劃被饋入控制器，后者生成傳動(dòng)和方向配置文件以便進(jìn)行導(dǎo)航控制。這些配置文件可根據(jù)行程計(jì)劃執(zhí)行動(dòng)作和進(jìn)程。該運(yùn)動(dòng)通常由若干檢測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測系統(tǒng)均產(chǎn)生反饋信號(hào)；反饋控制器將信號(hào)組合并轉(zhuǎn)換成更新后的行程計(jì)劃和條件。圖2是一般導(dǎo)航系統(tǒng)的基本框圖。

圖2． 一般導(dǎo)航系統(tǒng)框圖。

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(xiàng)功能通常都有一些明確界定且易于執(zhí)行的因素，但也會(huì)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(gè)反復(fù)試探的過程，即識(shí)別和處理限制的同時(shí)又會(huì)帶來新的優(yōu)化機(jī)遇。通過一個(gè)實(shí)例可以清楚說明這一過程。

Adept MobileRobots Seekur機(jī)器人                                                                                              

Adept MobileRobots Seekur2是一款采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS）的自主機(jī)器人，參見圖3。該車輛具有4輪傳動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)車輪均有獨(dú)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(dòng)平臺(tái)。此能力對(duì)于倉庫交貨系統(tǒng)、醫(yī)院標(biāo)本／補(bǔ)給品遞送系統(tǒng)和軍隊(duì)增援系統(tǒng)等新興應(yīng)用中的機(jī)器人車輛非常有用。

圖3． Adept MobileRobots Seekur導(dǎo)航系統(tǒng)。

正向控制                                                                                                                                       

機(jī)器人本體命令，即主要誤差信號(hào)， 代表軌跡規(guī)劃器提供的行程計(jì)劃與反饋檢測系統(tǒng)提供的行程進(jìn)度更新信息之間的差異。這些信號(hào)被饋入逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)，后者將機(jī)器人本體命令轉(zhuǎn)換成每個(gè)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(jìn)行計(jì)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(jī)器人平臺(tái)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(jī)械齒輪－齒條系統(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(jī)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(shí)現(xiàn)簡單的機(jī)械鏈接無法完成的運(yùn)動(dòng)。

車輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)                                                                                                                      

每個(gè)車輪均有一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，通過變速箱以機(jī)械方式連接至驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，同時(shí)通過另一個(gè)變速箱耦合至光學(xué)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(dá)，該馬達(dá)負(fù)責(zé)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(gè)光學(xué)編碼器，也即測程反饋系統(tǒng)的另一個(gè)輸入端。