[论文解读] Self-calibration of a differential wheeled robot using only a gyroscope and a distance sensor

Carlos García-Saura|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Astronomical Observations and Instrumentation被引用 7

一句话总结

本文提出一种仅使用陀螺仪和红外测距传感器的差速轮式机器人自校准方法，实现无需轮式编码器的精确运动控制。该方法通过陀螺仪零偏补偿和红外传感器线性化，自主校准电机响应、偏航控制与线速度，实验中实现6 cm/m的线性漂移和2°/min的旋转漂移。

ABSTRACT

Research in mobile robotics often demands platforms that have an adequate balance between cost and reliability. In the case of terrestrial robots, one of the available options is the GNBot, an open-hardware project intended for the evaluation of swarm search strategies. The lack of basic odometry sensors such as wheel encoders had so far difficulted the implementation of an accurate high-level controller in this platform. Thus, the aim of this thesis is to improve motion control in the GNBot by incorporating a gyroscope whilst maintaining the requisite of no wheel encoders. Among the problems that have been tackled are: accurate in-place rotations, minimal drift during linear motions, and arc-performing functionality. Additionally, the resulting controller is calibrated autonomously by using both the gyroscope module and the infrared rangefinder on board each robot, greatly simplifying the calibration of large swarms. The report first explains the design decisions that were made in order to implement the self-calibration routine, and then evaluates the performance of the new motion controller by means of off-line video tracking. The motion accuracy of the new controller is also compared with the previously existing solution in an odor search experiment.

研究动机与目标

• 解决因缺少轮式编码器而导致低成本GNBot机器人缺乏可靠航位推算的问题。
• 实现精确的原地旋转、最小线性漂移和精确的弧线运动，以支持高层控制。
• 开发一种仅使用机载传感器的自主校准程序，消除人工调参。
• 通过消除用户依赖的校准，实现大规模机器人集群的可扩展部署。
• 通过提升运动精度，改善气味搜索和导航任务的性能。

提出的方法

• 通过实测零偏，校准陀螺仪输出，以最小化静态条件下偏航漂移。
• 利用陀螺仪反馈绘制各电机响应曲线，建立输入电压与旋转速度之间的关联。
• 实现基于Ziegler-Nichols自动调参的PID偏航控制器，以实现精确的旋转控制。
• 对红外测距传感器（GP2Y0A21YK0F）的响应进行线性化，以实现基于距离的精确速度估计。
• 结合校准后的偏航控制与距离传感，估算线速度并校准前进运动。
• 执行仅需放置墙壁的92秒自主校准序列，无需用户输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 差速轮式机器人能否仅使用陀螺仪和红外测距传感器实现精确运动控制？
• RQ2 在无外部参考或轮式编码器的情况下，如何补偿陀螺仪零偏？
• RQ3 通过陀螺仪与红外数据的传感器融合，电机响应和线速度的校准程度如何？
• RQ4 与先前未校准的控制器相比，自校准过程在轨迹精度方面有何提升？
• RQ5 速度对新控制器定位重复性与漂移的影响如何？

主要发现

• 自校准过程成功消除了人工调参，仅需92秒且仅需放置墙壁即可完成。
• 在低速（2–6 cm/s）下测得线性漂移为6 cm/m，高速（6–10 cm/s）下增加至9 cm/m。
• 运动过程中旋转漂移降低至约2°/min，显著提升了偏航稳定性。
• 新控制器实现了精确的墙弹式气味搜索轨迹，与理论路径高度吻合，而先前控制器因显著的偏航漂移而表现不佳。
• 视频跟踪证实，在不同速度下，方形和圆形轨迹均表现出高度重复性，偏差极小。
• 该方法使高层任务（如气味搜索和环境制图）实现可靠性能，此前因航位推算不佳而难以实现。