惯性传感器促进移动机器人自主工作

图 5. 激光映射。

对于室外应用，Seekur使用全球定位系统(GPS)进行位置测量（图 6）。全球定位系统通过至少四个卫星的无线电信号传播时间对地球表面上的位置进行三角测量，精度可达±1 m以内。不过，这些系统难以满足无阻挡 的要求，可能受建筑、树木、桥梁、隧道及许多其他类型的物体影响。某些情况下，室外物体位置和特性已知（“城市峡谷”），则在 GPS 运行中断时也可使用雷达和声纳来协助进行位置估算。即便如此，当存在动态条件时，例如汽车经过或正在施工，效果常常会受到影响。

图 6. GPS 位置检测。

MEMS 角速率检测

Seekur系统使用的MEMS陀螺仪可直接测量Seekur关于偏航（垂直）轴的旋转速率，该轴在Seekur导航参考坐标系内与地球表面垂直。用于计算相对驶向的数学关系式是固定时间内(t1至 t2)角速率测量结果的简单积分。

该方法的主要优势之一是连接至机器人机架的陀螺仪可测量车辆的实际运动，而无需依靠齿轮比、齿轮隙、轮胎几何形状或表面接触完整性。不过，驶向估算需要依靠传感器精度，而该精度取决于偏置误差、噪声、稳定性和灵敏度等关键参数。固定偏置误差转换为驶向漂移速率，如包含偏置误差ωBE的下列关系式所示：

偏置误差可分为两种：当前误差 和条件相关误差。Seekur系统估算的是未运动时的当前偏置误差。这要求导航电脑能够识别未执行位置变化命令的状态，同时还要方便进行数据收集偏置估算和校正系数更新。该过程的精度取决于传感器噪声以及可用于收集数据并构建误差估算的时间。如图7所示，Allan方差曲线提供了偏置精度与求均值时间之间的简便关系式，进而确定了ADIS16265的关系式。ADIS16265是一款与Seekur系统目前所用的陀螺仪类似的iSensor®MEMS器件。本例中，Seekur可将20秒内的平均偏置误差减小至0.01°/秒以下，并可通过在约100秒的周期内求均值来优化估算结果。

图 7. ADIS16265 Allan 方差曲线。