Adept MobileRobots項目經理Seth Allen認為，地面機器人系統必須常常處理「枯燥、骯髒、危險」的工作。換言之，機器人系統通常用於人工介入成本過高、危險過大或者效率過低的任務。在許多情況下，機器人平臺的自主工作能力是一項極為重要的特性，即通過導航系統來監視並控制機器人從一個位置移到下一位置的運動。管理位置和運動時的精度是實現高效自主工作的關鍵因素，MEMS（微機電系統）陀螺儀可提供反饋檢測機制， 對優化導航系統性能非常有用。
圖1中所示的Seekur機器人系統就是一個採用先進MEMS器件來改善導航性能的自主系統。
圖1． Adept MobileRobots公司的Seekur系統
機器人導航概述
機器人的移動通常是從管理機器人總體任務進度的中央處理器發出位置變化請求時開始的。導航系統通過制定行程計劃或軌跡以開始執行位置變化請求。行程計劃需考慮可用路徑、已知障礙位置、機器人能力及任何相關的任務目標。（例如，對於醫院裡的標本遞送機器人，遞送時間非常關鍵。）行程計劃被饋入控制器，後者生成傳動和方向配置文件以便進行導航控制。這些配置文件可根據行程計劃執行動作和進程。該運動通常由若干檢測系統進行監控，各檢測系統均產生反饋信號；反饋控制器將信號組合併轉換成更新後的行程計劃和條件。圖2是一般導航系統的基本框圖。
圖2． 一般導航系統框圖
開發導航系統的關鍵步驟始於充分了解每種功能，尤其需要重視其工作目標和限制。各項功能通常都有一些明確界定且易於執行的因素，但也會提出一些需要加以處理的具有挑戰性的限制。某些情況下，這可能是一個反覆試探的過程，即識別和處理限制的同時又會帶來新的優化機遇。通過一個實例可以清楚說明這一過程。
Adept MobileRobots Seekur機器人
Adept MobileRobots Seekur2是一款採用慣性導航系統 （INS）的自主機器人，參見圖3。該車輛具有4輪傳動系統，每個車輪均有獨立轉向和速度控制能力，可在任何水平方向上靈活地移動平臺。此能力對於倉庫交貨系統、醫院標本／補給品遞送系統和軍隊增援系統等新興應用中的機器人車輛非常有用。
圖3． Adept MobileRobots Seekur導航系統
正向控制
機器人本體命令，即主要誤差信號， 代表軌跡規劃器提供的行程計劃與反饋檢測系統提供的行程進度更新信息之間的差異。這些信號被饋入逆向運動學系統，後者將機器人本體命令轉換成每個車輪的轉向和速度配置文件。這些配置文件使用阿克曼轉向關係，進行計算，整合了輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要幾何特性。利用阿克曼轉向原理和關係，上述機器人平臺可創建以電子方式連結的轉向角度配置文件，類似於許多汽車轉向系統中使用的機械齒輪－齒條系統。由於這些關係是以遠程方式整合在一起的，不需要以機械方式連結車軸，因而有助於最大程度減小磨擦和輪胎滑移，減少輪胎磨損和能量損耗，實現簡單的機械連結無法完成的運動。
車輪驅動和轉向系統
每個車輪均有一個驅動軸，通過變速箱以機械方式連接至驅動馬達，同時通過另一個變速箱耦合至光學編碼器，即測程反饋系統的輸入端。轉向軸 將車軸耦合至另一伺服馬達，該馬達負責確立車輪的轉向角度。轉向軸還將通過變速箱耦合至第二個光學編碼器，也即測程反饋系統的另一個輸入端。
反饋檢測和控制
導航系統使用一個增強的Kalman filter3，通過結合多個傳感器的數據來估算行程圖上機器人的姿態。Seekur上的測程數據從車輪牽引和轉向編碼器（提供轉換）和MEMS陀螺儀（提供旋轉）獲得。
測程
測程反饋系統利用光學編碼器對驅動和轉向軸旋轉的測量結果來估算機器人的位置、駛向和速度。在光學編碼器中，用一個碟片阻擋內部光源，或者通過數千個微小窗口讓光源照射在光傳感器上。碟片旋轉時，便會產生一系列電脈衝，這些脈衝通常被饋入計數器電路。每旋轉一圈的計數次數等於碟片內的槽孔數目，因此可從編碼器電路的脈衝計數計算旋轉數（包括小數）。圖4提供了將驅動軸旋轉計數轉換成線性位移 （位置） 變化的圖形參考和關係。
圖4． 測程線性位移關係
每個車輪的驅動軸和轉向軸編碼器測量結果在正向運動學處理器中用阿克曼轉向公式進行組合，從而產生駛向、偏轉速率、位置和線速度等測量數據。
該測量系統的優點在於其檢測功能直接與驅動和轉向控制系統相結合，因此可精確得知驅動和轉向控制系統的狀態。不過，除非可參考一組實際坐標，否則該測量系統在車輛實際速度和方向方面的精度有限。主要限制（或誤差源）在於輪胎幾何形狀一致性（圖4中D的精度和波動），以及輪胎與地面之間的接觸中斷。輪胎幾何形狀取決於胎冠一致性、胎壓、溫度、重量及在正常機器人使用過程中可能發生變化的所有條件。輪胎滑移則取決於偏轉半徑、速度和表面一致性。
位置檢測
Seekur系統使用多種距離傳感器。對於室內應用，該系統採用270°雷射掃描器為其環境構建映射圖。雷射系統通過能量返回模式和信號返回時間測量物體形狀、尺寸及與雷射源的距離。在映射模式中，雷射系統通過將工作區內多個不同位置的掃描結果組合，描述工作區特性（圖5）。這樣便產生了物體位置、尺寸和形狀的映射圖，作為運行時掃描的參考。雷射掃描器功能結合映射信息使用時，可提供精確的位置信息。該功能如果單獨使用，會存在一定限制，包括掃描時需要停機以及無法處理環境變化等等。在倉庫環境中，人員、叉車、託盤搬運車及許多其他物體常常會改變位置，這可能影響到達目的地的速度，以及到達正確目的地的精度。
圖5． 雷射映射
對於室外應用，Seekur使用全球定位系統 （GPS）進行位置測量（圖6）。全球定位系統通過至少四個衛星的無線電信號傳播時間對地球表面上的位置進行三角測量，精度可達±1 m以內。不過，這些系統難以滿足無阻擋的要求，可能受建築、樹木、橋梁、隧道及許多其他類型的物體影響。某些情況下，室外物體位置和特性已知（「城市峽谷」）， 則在GPS運行中斷時也可使用雷達和聲納來協助進行位置估算。即便如此，當存在動態條件時，例如汽車經過或正在施工，效果常常會受到影響。
圖6． GPS位置檢測
MEMS 角速率檢測
Seekur系統使用的MEMS陀螺儀可直接測量Seekur關於偏航（垂直）軸的旋轉速率，該軸在Seekur導航參考坐標系內與地球表面垂直。用於計算相對駛向的數學關係式是固定時間內（t1 至t2）角速率測量結果的簡單積分。
該方法的主要優勢之一是連接至機器人機架的陀螺儀可測量車輛的實際運動，而無需依靠齒輪比、齒輪隙、輪胎幾何形狀或表面接觸完整性。不過，駛向估算需要依靠傳感器精度，而該精度取決於偏置誤差、噪聲、穩定性和靈敏度等關鍵參數。固定偏置誤差轉換為駛向漂移速率，如包含偏置誤差ωBE的下列關係式所示：
偏置誤差可分為兩種：當前誤差和條件相關誤差。Seekur系統估算的是未運動時的當前偏置誤差。這要求導航電腦能夠識別未執行位置變化命令的狀態，同時還要方便進行數據收集偏置估算和校正係數更新。該過程的精度取決於傳感器噪聲以及可用於收集數據並構建誤差估算的時間。如圖7所示，Allan方差曲線提供了偏置精度與求均值時間之間的簡便關係式，進而確定了ADIS16265的關係式。ADIS16265是一款與Seekur系統目前所用的陀螺儀類似的iSensor? MEMS器件。本例中，Seekur可將20秒內的平均偏置誤差減小至0．01°／秒以下，並可通過在約100秒的周期內求均值來優化估算結果。
圖7． ADIS16265 Allan方差曲線
Allan 方差4 關係式還有助於深入了解最佳積分時間（τ ＝ t2 – t1）． 該曲線上的最低點通常被確定為運行中偏置穩定度。通過設置積分時間τ，使其等於與所用陀螺儀的Allan方差曲線上最低點相關的積分時間，可優化駛向估算結果。
包括偏置溫度係數在內的條件相關誤差會影響性能，因此它們可決定需要每隔多久停止一次機器人的運行，以更新其偏置校正。使用預校準的傳感器有助於解決最常見的誤差源，例如溫度和電源變化。例如，將ADIS16060 改為預校準的ADIS16265可能會增加尺寸、價格和功率，但可以將相對於溫度的穩定性提高18倍。對於2°C溫度變化，ADIS16060的最大偏置為0．22°／秒，而ADIS16265隻有0．012°秒。
如以下關係式所示靈敏度 誤差源與實際駛向變化成正比：
商用MEMS傳感器的額定靈敏度誤差通常在±5％至±20％以上，因此需要進行校準以減小這些誤差。例如ADIS16265和ADIS16135等預校準MEMS5 陀螺儀的額定誤差小於±1％，在受控環境中甚至可以達到更高性能。