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(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)器人平臺(tái)的自主工作能力是一項(xiàng)極為重要的特性,即通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)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(cè)機(jī)制,對(duì)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。
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(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。
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)。
機(jī)器人平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn),MEMS陀螺儀技術(shù)為改善導(dǎo)航系統(tǒng)方向估算和總體精度提供了經(jīng)濟(jì)高效的方法。預(yù)校準(zhǔn)的系統(tǒng)就緒型器件使得簡(jiǎn)單的功能集成得以實(shí)現(xiàn),有利于開(kāi)發(fā)工作順利起步,并讓工程師可集中精力開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化。隨著MEMS技術(shù)持續(xù)改善陀螺儀噪聲、穩(wěn)定性和精度指標(biāo),精度和控制水平將不斷提高,從而可為自主機(jī)器人平臺(tái)繼續(xù)拓展新的市場(chǎng)。諸如Seekur等系統(tǒng)的下一代開(kāi)發(fā)工作可從陀螺儀過(guò)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(lái)的許多其他應(yīng)用均可利用MEMS IMU進(jìn)行地形管理和進(jìn)一步的精度改進(jìn),并通過(guò)三個(gè)陀螺儀實(shí)現(xiàn)完全對(duì)準(zhǔn)反饋和校正。
目前美國(guó)國(guó)防研究計(jì)劃局(DARPA)在提案中仍強(qiáng)調(diào)更多地利用機(jī)器人技術(shù)來(lái)提升軍力。補(bǔ)給品護(hù)送便是這類應(yīng)用的一個(gè)范例,此時(shí)軍事護(hù)送隊(duì)伍暴露于敵方威脅之下,同時(shí)不得不按可預(yù)測(cè)的模式緩慢移動(dòng)。精確導(dǎo)航讓機(jī)器人(如Seekur)可在補(bǔ)給品護(hù)送方面承擔(dān)更多責(zé)任,減少途中人員的安全威脅。一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是對(duì)GPS中斷情況的管理能力,此時(shí)MEMS陀螺儀駛向反饋特別有用。Seekur導(dǎo)航技術(shù)正是針對(duì)這一環(huán)境而開(kāi)發(fā)的,它使用MEMS慣性測(cè)量單元(IMU)6 提高了精度,并且能在未來(lái)不斷采納地形管理和其他功能領(lǐng)域的新技術(shù)成果。
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