地面機(jī)器人系統(tǒng)通常用于人工介入成本過(guò)高、危險(xiǎn)過(guò)大或者效率過(guò)低的任務(wù)。在許多情況下，機(jī)器人必須能夠自主工作，利用導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視并控制它從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。管理位置和運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度是實(shí)現(xiàn)有用、可靠的自主工作的關(guān)鍵。
MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀可提供反饋檢測(cè)機(jī)制，對(duì)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。圖1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(lái)改善導(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)。
機(jī)器人導(dǎo)航概述
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)求開(kāi)始的。導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)制定行程計(jì)劃或軌跡以開(kāi)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測(cè)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。
開(kāi)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(guò)程，即識(shí)別和處理限制的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)新的優(yōu)化機(jī)遇。
以Adept MobileRobots Seekur為例，它是一個(gè)自主機(jī)器人，具有四輪傳動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)車(chē)輪均有獨(dú)立轉(zhuǎn)向和速度控制能力，可在任何水平方向靈活地移動(dòng)平臺(tái)。它的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與圖2所示的系統(tǒng)相似。
正向控制
如圖2所示，正向控制是通過(guò)發(fā)出機(jī)器人本體命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些命令本質(zhì)上是誤差信號(hào)，產(chǎn)生自軌跡規(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。
這些命令被饋入逆向運(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)械齒條-齒輪系統(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)。
