慣性傳感器促進(jìn)移動(dòng)機(jī)器人自主工作

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(cè)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(chē)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(chē)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(chē)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(jiǎn)單的機(jī)械鏈接無(wú)法完成的運(yùn)動(dòng)。

車(chē)輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

每個(gè)車(chē)輪均有一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，通過(guò)變速箱以機(jī)械方式連接至驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，同時(shí)通過(guò)另一個(gè)變速箱耦合至光學(xué)編碼器，即測(cè)程反饋系統(tǒng)的輸入端。轉(zhuǎn)向軸將車(chē)軸耦合至另一伺服馬達(dá)，該馬達(dá)負(fù)責(zé)確立車(chē)輪的轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)向軸還將通過(guò)變速箱耦合至第二個(gè)光學(xué)編碼器，也即測(cè)程反饋系統(tǒng)的另一個(gè)輸入端。

反饋檢測(cè)和控制

導(dǎo)航系統(tǒng)使用一個(gè)增強(qiáng)的卡爾曼濾波器，通過(guò)結(jié)合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)估算行程圖上機(jī)器人的姿態(tài)。Seekur 上的測(cè)程數(shù)據(jù)從車(chē)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(cè)程

測(cè)程反饋系統(tǒng)利用光學(xué)編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)估算機(jī)器人的位置、駛向和速度。在光學(xué)編碼器中，用一個(gè)碟片阻擋內(nèi)部光源，或者通過(guò)數(shù)千個(gè)微小窗口讓光源照射在光傳感器上。碟片旋轉(zhuǎn)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一系列電脈沖，這些脈沖通常被饋入計(jì)數(shù)器電路。每旋轉(zhuǎn)一圈的計(jì)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(jì)數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)（包括小數(shù)）。圖4提供了將驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成線性位移（位置）變化的圖形參考和關(guān)系。

圖 4. 測(cè)程線性位移關(guān)系。

每個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測(cè)量結(jié)果在正向運(yùn)動(dòng)學(xué) 處理器中用阿克曼轉(zhuǎn)向公式進(jìn)行組合，從而產(chǎn)生駛向、偏轉(zhuǎn)速率、位置和線速度等測(cè)量數(shù)據(jù)。

該測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其檢測(cè)功能直接與驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)相結(jié)合，因此可精確得知驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)。不過(guò)，除非可參考一組實(shí)際坐標(biāo)，否則該測(cè)量系統(tǒng)在車(chē)輛實(shí)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(dòng)），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(jī)器人使用過(guò)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(cè)

Seekur系統(tǒng)使用多種距離傳感器。對(duì)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(guò)能量返回模式和信號(hào)返回時(shí)間測(cè)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(guò)將工作區(qū)內(nèi)多個(gè)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(yùn)行時(shí)掃描的參考。激光掃描器功能結(jié)合映射信息使用時(shí)，可提供精確的位置信息。該功能如果單獨(dú)使用，會(huì)存在一定限制，包括掃描時(shí)需要停機(jī)以及無(wú)法處理環(huán)境變化等等。在倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中，人員、叉車(chē)、托盤(pán)搬運(yùn)車(chē)及許多其他物體常常會(huì)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。