一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、第一減速電機(jī)、第二減速電機(jī)、激光雷達(dá)、第一編碼器、第二編碼器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊，激光雷達(dá)與主控計(jì)算機(jī)相連，將周?chē)h(huán)境信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，完成地圖創(chuàng)建與定位、路徑規(guī)劃、局部避障和完善地圖信息。本發(fā)明無(wú)需事先人工測(cè)繪并建立地圖，自主性高，能夠自動(dòng)創(chuàng)建變電站的環(huán)境地圖并在巡檢過(guò)程中予以更新。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)變電站運(yùn)行維護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用于變電站環(huán)境下的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)能夠部分取代人工巡檢手段，準(zhǔn)確地對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并生成報(bào)告，有效維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低了人工巡檢的失誤以及工作強(qiáng)度。
[0003]機(jī)器人系統(tǒng)完成其巡檢任務(wù)的前提是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中迅速、精確的自主定位、導(dǎo)航及路徑規(guī)劃。當(dāng)前存在多種可實(shí)現(xiàn)變電站巡檢機(jī)器人定位和導(dǎo)航的方式，例如鋪設(shè)固定軌道導(dǎo)航方法、機(jī)器視覺(jué)定位方法、GPS定位導(dǎo)航方法、人工標(biāo)志定位方法等。中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利201020562979.9公開(kāi)了一種帶有導(dǎo)航裝置的巡檢機(jī)器人，定位導(dǎo)航方法采用超聲波傳感器、磁傳感器和RFID讀寫(xiě)器等傳感器感知路面環(huán)境，該系統(tǒng)同樣需要在變電站環(huán)境內(nèi)事先鋪設(shè)大量的標(biāo)志，然后由機(jī)器人檢測(cè)并沿標(biāo)志前進(jìn)，缺乏靈活性。中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利201020697884.8公開(kāi)了一種變電站巡視機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)，定位導(dǎo)航方法首先利用GPS粗定位，其次，搜索機(jī)器人前方的三根參考定位柱并測(cè)量機(jī)器人與三根參考定位柱之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系確定機(jī)器人在環(huán)境中的坐標(biāo)。該方法需要事先對(duì)變電站繪制電子地圖，參考定位柱需要事先鋪設(shè)并確定坐標(biāo)，仍然是一種基于人工標(biāo)志的方法，對(duì)人工的依賴(lài)性很強(qiáng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜度低、人工輔助依賴(lài)性小、調(diào)試運(yùn)行簡(jiǎn)便的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)、第一減速電機(jī)、第二減速電機(jī)、激光雷達(dá)、第一編碼器、第二編碼器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊，激光雷達(dá)的輸出端與主控計(jì)算機(jī)相連，將周?chē)h(huán)境信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制模塊的輸入端相連，運(yùn)動(dòng)控制模塊的輸出端同時(shí)與第一減速電機(jī)、第二減速電機(jī)的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)第一減速電機(jī)和第二減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一減速電機(jī)、第二減速電機(jī)的輸出端分別與第一編碼器、第二編碼器的輸入端相連，第一編碼器、第二編碼器和運(yùn)動(dòng)控制模塊的輸出端同時(shí)與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連；數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與主控計(jì)算機(jī)相連，主控計(jì)算機(jī)還與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊相連，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人與變電站調(diào)度中心的無(wú)線(xiàn)通信；電源模塊為主控計(jì)算機(jī)、第一減速電機(jī)、第二減速電機(jī)、激光雷達(dá)、第一編碼器、第二編碼器、運(yùn)動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集卡供電。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:(1)本發(fā)明進(jìn)行環(huán)境感知的激光雷達(dá)傳感器集成在巡檢機(jī)器人移動(dòng)本體上，因此不需要對(duì)變電站環(huán)境進(jìn)行改造或施工，即可完成預(yù)期的地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃與避障等任務(wù)；(2)本發(fā)明硬件復(fù)雜程度低，創(chuàng)建地圖、導(dǎo)航定位及障礙物檢測(cè)等所需的傳感器由激光雷達(dá)一體完成，不需要大量配置其他如超聲波傳感器、紅外測(cè)距傳感器、RFID讀寫(xiě)器、磁傳感器等其他傳感器；(3)本發(fā)明不需要事先人工測(cè)繪并建立地圖，自主性高，誤差小，能夠自動(dòng)創(chuàng)建變電站的環(huán)境地圖并在巡檢過(guò)程中予以更新，相應(yīng)的調(diào)試工作量較小，在不同變電站之間的推廣性較好；(4)本發(fā)明提供了地圖的人機(jī)交互接口，可顯示地圖詳細(xì)信息與巡檢機(jī)器人當(dāng)前位置，并允許對(duì)已創(chuàng)建地圖進(jìn)行管理和操作，豐富和完善地圖信息，使系統(tǒng)功能更為完善。
[0007]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊原理圖。
[0010]圖3為本發(fā)明的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
[0011]圖4為本發(fā)明的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的工作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]結(jié)合圖1、圖2，一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)1、第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3、激光雷達(dá)4、第一編碼器5、第二編碼器6、運(yùn)動(dòng)控制模塊7、數(shù)據(jù)采集卡8、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9和電源模塊10，激光雷達(dá)4的輸出端與主控計(jì)算機(jī)I相連，將周?chē)h(huán)境信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)I，主控計(jì)算機(jī)I與運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸入端相連，運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸出端同時(shí)與第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3的輸入端相連,驅(qū)動(dòng)第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng),第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3的輸出端分別與第一編碼器5、第二編碼器6的輸入端相連，第一編碼器5、第二編碼器6和運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸出端同時(shí)與數(shù)據(jù)采集卡8的輸入端相連；數(shù)據(jù)采集卡8的輸出端與主控計(jì)算機(jī)I相連，主控計(jì)算機(jī)I還與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9相連，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人與變電站調(diào)度中心的無(wú)線(xiàn)通信；電源模塊10為主控計(jì)算機(jī)1、第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3、激光雷達(dá)4、第一編碼器5、第二編碼器6、運(yùn)動(dòng)控制模塊7和數(shù)據(jù)采集卡8供電。
[0013]所述運(yùn)動(dòng)控制模塊7電流采樣電路、電源轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，電源轉(zhuǎn)換電路的輸入端與電源模塊10相連，電源轉(zhuǎn)換電路的輸出端與保護(hù)電路的輸入端相連，保護(hù)電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端還與主控計(jì)算機(jī)I相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端同時(shí)與電路米樣電路、第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3的輸入端相連，電流采樣電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡8相連。
[0014]所述驅(qū)動(dòng)電路為H橋電路，左右半橋?qū)ΨQ(chēng)，其中左半橋包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一二極管D1、第一運(yùn)算放大器Al、第一三極管Ql、第二三極管Q2、第一 P溝道MOS管Q3和第一 N溝道MOS管Q4，主控計(jì)算機(jī)I與第一運(yùn)算放大器Al的同相輸入端相連,第一電阻Rl的一端與電源模塊10的正極相連，第一電阻Rl的另一端與第一二極管Dl的陽(yáng)極相連，第一二極管Dl的陽(yáng)極同時(shí)與第一運(yùn)算放大器Al的反相輸入端相連，第一二極管Dl的陰極與電源模塊10的負(fù)極相連，第二電阻R2的一端與電源模塊10的正極相連,第二電阻R2的另一端與第一三極管Ql的基極相連，同時(shí)還與第三電阻R3的一端相連，第三電阻R3的另一端與第一運(yùn)算放大器Al的輸出端相連，同時(shí)還與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端與第二三極管Q2的基極相連，同時(shí)還與第五電阻R5的一端相連,第五電阻R5的另一端與電源模塊10的負(fù)極相連，第一三極管Ql的射極與電源模塊10的正極相連，第一三極管Ql的集電極與第一 P溝道MOS管Q3的柵極相連，同時(shí)還與第六電阻R6的一端相連,第六電阻R6的另一端與第一 N溝道MOS管Q4的柵極相連，同時(shí)還與第二三極管Q2的集電極相連，第二三極管Q2的射極和第一 N溝道MOS管Q4的源極均與電源模塊10的負(fù)極相連，第一 P溝道MOS管Q3的源極與電源模塊10的正極相連，第一 P溝道MOS管Q3的漏極與第一 N溝道MOS管Q4的漏極相連，同時(shí)還與第一減速電機(jī)2相連；右半橋包括第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第二二極管D2、第二運(yùn)算放大器A2、第三三極管Q7、第四三極管Q8、第二 P溝道MOS管Q5、第二 N溝道MOS管Q6，主控計(jì)算機(jī)I與第二運(yùn)算放大器A2的同相輸入端相連，第十二電阻R12的一端與電源模塊的正極相連，第十二電阻R12的另一端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，第二二極管D2的陽(yáng)極同時(shí)與第二運(yùn)算放大器A2的反相輸入端相連，第二二極管D2的陰極與電源模塊的負(fù)極相連，第八電阻R8的一端與電源正極相連，第八電阻R8的另一端與第三三極管Q7的基極相連，同時(shí)還與第九電阻R9的一端相連，第九電阻R9的另一端與第二運(yùn)算放大器A2的輸出端相連，同時(shí)還與第十電阻RlO的一端相連，第十電阻RlO的另一端與第四三極管Q8的基極相連，同時(shí)還與第i 電阻RlI的一端相連，第i 電阻RlI的另一端與電源模塊的負(fù)極相連，第三三極管Q7的射極與電源模塊的正極相連，第三三極管Q7的集電極與第二 P溝道MOS管Q5的柵極相連，同時(shí)還與第七電阻R7的一端相連，第七電阻R7的另一端與第二 N溝道MOS管Q6的柵極相連，同時(shí)還與第四三極管Q8的集電極相連，第四三極管Q8的射極和第二 N溝道MOS管Q6的源極均與電源模塊的負(fù)極相連，第二 P溝道MOS管Q5的源極與電源模塊的正極相連，第二 P溝道MOS管Q5的漏極與第二 N溝道MOS管Q6的漏極相連，同時(shí)還與第二減速電機(jī)3相連。
[0015]系統(tǒng)還包括自動(dòng)充電裝置，所述自動(dòng)充電裝置與電源模塊10相連接。
[0016]所述主控計(jì)算機(jī)I為eBox高頻嵌入式計(jì)算機(jī)。
[0017]所述激光雷達(dá)4為SICK系列激光雷達(dá)，激光雷達(dá)4通過(guò)RS-232串口與主控計(jì)算機(jī)I連接。
[0018]所述第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3為Maxon系列的石墨電刷直流電機(jī)。
[0019]所述第一編碼器5和第二編碼器6為512線(xiàn)雙相光電編碼器。
[0020]所述電源模塊10為24V鋰電池。
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1
[0023]結(jié)合圖1，一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括主控計(jì)算機(jī)1、第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3、激光雷達(dá)4、第一編碼器5、第二編碼器6、運(yùn)動(dòng)控制模塊7、數(shù)據(jù)采集卡8、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9和電源模塊10，激光雷達(dá)4的輸出端與主控計(jì)算機(jī)I相連，將周?chē)h(huán)境信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)I，主控計(jì)算機(jī)I與運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸入端相連，運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸出端同時(shí)與第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3的輸入端相連,驅(qū)動(dòng)第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng),第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3的輸出端分別與第一編碼器5、第二編碼器6的輸入端相連，第一編碼器5、第二編碼器6和運(yùn)動(dòng)控制模塊7的輸出端同時(shí)與數(shù)據(jù)采集卡8的輸入端相連；數(shù)據(jù)采集卡8的輸出端與主控計(jì)算機(jī)I相連，主控計(jì)算機(jī)I還與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9相連，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人與變電站調(diào)度中心的無(wú)線(xiàn)通信；電源模塊10為主控計(jì)算機(jī)1、第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3、激光雷達(dá)4、第一編碼器5、第二編碼器6、運(yùn)動(dòng)控制模塊7和數(shù)據(jù)采集卡8供電。
[0024]主控計(jì)算機(jī)I采用eBox高頻嵌入式計(jì)算機(jī)，用于生成巡檢機(jī)器人的控制信號(hào)和各算法的運(yùn)算；主控計(jì)算機(jī)I工作頻率為1GHz，支持串口數(shù)據(jù)傳輸；采用固態(tài)存儲(chǔ)卡作為系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)，適用于震動(dòng)較大的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0025]直流減速電機(jī)2和直流減速電機(jī)3帶動(dòng)巡檢機(jī)器人的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得巡檢機(jī)器人在變電站內(nèi)行動(dòng)，直流減速電機(jī)2和直流減速電機(jī)3采用Maxon系列的石墨電刷直流電機(jī)，并配置減速箱，增強(qiáng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。
[0026]激光雷達(dá)4以RS-232串口方式將數(shù)據(jù)傳入巡檢機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)；采用SICK系列激光雷達(dá)，可感知正前方180度內(nèi)環(huán)境信息，能夠?qū)h(huán)境感知與障礙物探測(cè)集合到一個(gè)傳感器上實(shí)現(xiàn)；其有效探測(cè)距離可以達(dá)到20-50米以上，適用于變電站這樣的室外開(kāi)闊環(huán)境。
[0027]第一編碼器5和第二編碼器6分別設(shè)置在第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3主軸上，用于計(jì)量采樣周期內(nèi)車(chē)輪的行進(jìn)量，并換算成前進(jìn)速度。第一編碼器5和第二編碼器6均采用512線(xiàn)雙相光電編碼器，保證了較高的檢測(cè)精度，并且可以通過(guò)兩相信號(hào)判斷出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。
[0028]結(jié)合圖2，運(yùn)動(dòng)控制模塊7包括電流采樣電路、電源轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，電源轉(zhuǎn)換電路的輸入端與電源模塊10相連，電源轉(zhuǎn)換電路的輸出端與保護(hù)電路的輸入端相連，保護(hù)電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端還與主控計(jì)算機(jī)I相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端同時(shí)與電路采樣電路、第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3的輸入端相連，電流采樣電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡8相連。電源模塊輸出電壓經(jīng)電源轉(zhuǎn)換電路處理后，為電機(jī)提供穩(wěn)定的24V額定電壓；主控計(jì)算機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；保護(hù)電路在電機(jī)堵住、過(guò)載等情形可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流采樣電路對(duì)電機(jī)電樞電流進(jìn)行采樣，并傳輸至數(shù)據(jù)采集卡8。運(yùn)動(dòng)控制模塊7采用速度-電流雙閉環(huán)PID算法控制第一減速電機(jī)2和第二減速電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，使巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)為兩輪差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制兩側(cè)車(chē)輪實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
[0029]結(jié)合圖3，驅(qū)動(dòng)電路為H橋電路，左右半橋?qū)ΨQ(chēng)，其中左半橋包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一二極管D1、第一運(yùn)算放大器Al、第一三極管Ql、第二三極管Q2、第一 P溝道MOS管Q3和第一 N溝道MOS管Q4，主控計(jì)算機(jī)I與第一運(yùn)算放大器Al的同相輸入端相連,第一電阻Rl的一端與電源模塊10的正極相連，第一電阻Rl的另一端與第一二極管Dl的陽(yáng)極相連，第一二極管Dl的陽(yáng)極同時(shí)與第一運(yùn)算放大器Al的反相輸入端相連,第一二極管Dl的陰極與電源模塊10的負(fù)極相連，第二電阻R2的一端與電源模塊10的正極相連，第二電阻R2的另一端與第一三極管Ql的基極相連，同時(shí)還與第三電阻R3的一端相連，第三電阻R3的另一端與第一運(yùn)算放大器Al的輸出端相連，同時(shí)還與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端與第二三極管Q2的基極相連，同時(shí)還與第五電阻R5的一端相連,第五電阻R5的另一端與電源模塊10的負(fù)極相連，第一三極管Ql的射極與電源模塊10的正極相連，第一三極管Ql的集電極與第一P溝道MOS管Q3的柵極相連，同時(shí)還與第六電阻R6的一端相連,第六電阻R6的另一端與第一 N溝道MOS管Q4的柵極相連，同時(shí)還與第二三極管Q2的集電極相連，第二三極管Q2的射極和第一 N溝道MOS管Q4的源極均與電源模塊10的負(fù)極相連，第一 P溝道MOS管Q3的源極與電源模塊10的正極相連，第一 P溝道MOS管Q3的漏極與第一 N溝道MOS管Q4的漏極相連，同時(shí)還與第一減速電機(jī)2相連；右半橋包括第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第二二極管D2、第二運(yùn)算放大器A2、第三三極管Q7、第四三極管Q8、第二 P溝道MOS管Q5、第二 N溝道MOS管Q6，主控計(jì)算機(jī)I與第二運(yùn)算放大器A2的同相輸入端相連，第十二電阻R12的一端與電源模塊的正極相連，第十二電阻R12的另一端與第二二極管D2的陽(yáng)極相連，第二二極管D2的陽(yáng)極同時(shí)與第二運(yùn)算放大器A2的反相輸入端相連，第二二極管D2的陰極與電源模塊的負(fù)極相連，第八電阻R8的一端與電源正極相連，第八電阻R8的另一端與第三三極管Q7的基極相連，同時(shí)還與第九電阻R9的一端相連，第九電阻R9的另一端與第二運(yùn)算放大器A2的輸出端相連，同時(shí)還與第十電阻RlO的一端相連，第十電阻RlO的另一端與第四三極管Q8的基極相連，同時(shí)還與第H 電阻RlI的一端相連，第i 電阻Rll的另一端與電源模塊的負(fù)極相連，第三三極管Q7的射極與電源模塊的正極相連，第三三極管Q7的集電極與第二 P溝道MOS管Q5的柵極相連，同時(shí)還與第七電阻R7的一端相連，第七電阻R7的另一端與第二 N溝道MOS管Q6的柵極相連，同時(shí)還與第四三極管Q8的集電極相連，第四三極管Q8的射極和第二 N溝道MOS管Q6的源極均與電源模塊的負(fù)極相連，第二 P溝道MOS管Q5的源極與電源模塊的正極相連，第二 P溝道MOS管Q5的漏極與第二 N溝道MOS管Q6的漏極相連，同時(shí)還與第二減速電機(jī)3相連。
[0030]數(shù)據(jù)采集卡8實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集卡8通過(guò)USB接口接入主控計(jì)算機(jī)I。
[0031]無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人與變電站運(yùn)行調(diào)度中心的無(wú)線(xiàn)通信，將創(chuàng)建的地圖數(shù)據(jù)以及定位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳送至變電站運(yùn)行調(diào)度中心計(jì)算機(jī)上，便于調(diào)度管理。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊9采用2.4G無(wú)線(xiàn)通信模塊，保證了數(shù)據(jù)的快速傳輸。
[0032]電源模塊10為24V大容量鋰電池，包括電源管理與轉(zhuǎn)換電路。電源模塊10為主控計(jì)算機(jī)1、第一減速電機(jī)2、第二減速電機(jī)3、激光雷達(dá)4、運(yùn)動(dòng)控制模塊7、第一編碼器5、第二編碼器6、數(shù)據(jù)采集卡8提供相應(yīng)供電接口，包括24V、12V、5V及3.3V穩(wěn)壓電路，另外電源模塊10還設(shè)置有監(jiān)視電路，對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠起到保護(hù)電池的作用，并在電量過(guò)低時(shí)向機(jī)器人下達(dá)充電指令。該定位導(dǎo)航系統(tǒng)還設(shè)置有自動(dòng)充電裝置，自動(dòng)充電裝置與電源模塊10相連接，為電源模塊10充電。
[0033]結(jié)合圖4，變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的巡檢方法包括以下步驟:
[0034]步驟1、地圖創(chuàng)建與定位:首先建立巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和觀(guān)測(cè)模型，設(shè)定環(huán)境地圖為柵格地圖，將巡檢機(jī)器人姿態(tài)映射到環(huán)境地圖，并提取激光雷達(dá)感知的環(huán)境特征，建立巡檢機(jī)器人的差分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將激光雷達(dá)與編碼器采集的數(shù)據(jù)作為算法輸入，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，并繪制地圖；
[0035]步驟2、路徑規(guī)劃:根據(jù)已獲取變電站地圖，巡檢機(jī)器人自主分析可通行性，并對(duì)可通行性進(jìn)行量化；根據(jù)自身當(dāng)前位置、目的地位置及可通行性的分析，并結(jié)合巡檢任務(wù)的需求，對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，選擇快捷的路徑進(jìn)行巡檢，并生成巡檢機(jī)器人前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)指令，機(jī)器人開(kāi)始巡檢；
[0036]步驟3、局部避障:巡檢機(jī)器人沿規(guī)劃路徑巡檢前進(jìn)，激光雷達(dá)實(shí)時(shí)感知環(huán)境，通過(guò)與地圖的匹配，發(fā)現(xiàn)障礙物，激光雷達(dá)對(duì)障礙物輪廓信息進(jìn)行描述，根據(jù)當(dāng)前定位信息確定障礙物在環(huán)境地圖中的位置分布情況，將路徑信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人規(guī)避障礙；
[0037]步驟4、地圖更新:巡檢機(jī)器人創(chuàng)建的地圖數(shù)據(jù)與定位信息將通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊傳送至變電站運(yùn)行調(diào)度中心，通過(guò)地圖操作與管理人機(jī)交互接口可以觀(guān)察已創(chuàng)建地圖，并獲知機(jī)器人巡檢情況及其位置，同時(shí)對(duì)地圖進(jìn)行管理，完善地圖信息。
[0038]本發(fā)明將進(jìn)行環(huán)境感知的激光雷達(dá)傳感器集成在巡檢機(jī)器人移動(dòng)本體上，因此不需要對(duì)變電站環(huán)境進(jìn)行改造或施工，即可完成預(yù)期的地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃與避障等任務(wù)；并且不需要事先人工測(cè)繪并建立地圖，自主性高,能夠自動(dòng)創(chuàng)建變電站的環(huán)境地圖并在巡檢過(guò)程中予以更新，相應(yīng)的調(diào)試工作量較小，在不同變電站之間的推廣性較好；本發(fā)明提供了地圖的人機(jī)交互接口，可顯示地圖詳細(xì)信息與巡檢機(jī)器人當(dāng)前位置，并允許對(duì)已創(chuàng)建地圖進(jìn)行管理和操作，豐富和完善地圖信息，使系統(tǒng)功能更為完善。
【權(quán)利要求】
1.一種變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括主控計(jì)算機(jī)[I]、第一減速電機(jī)[2]、第二減速電機(jī)[3]、激光雷達(dá)[4]、第一編碼器[5]、第二編碼器[6]、運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]、數(shù)據(jù)采集卡[8]、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊[9]和電源模塊[10]，激光雷達(dá)[4]的輸出端與主控計(jì)算機(jī)[I]相連，將周?chē)h(huán)境信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)[1]，主控計(jì)算機(jī)[I]與運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]的輸入端相連，運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]的輸出端同時(shí)與第一減速電機(jī)[2]、第二減速電機(jī)[3]的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)第一減速電機(jī)[2]和第二減速電機(jī)[3]轉(zhuǎn)動(dòng),第一減速電機(jī)[2]、第二減速電機(jī)[3]的輸出端分別與第一編碼器[5]、第二編碼器[6]的輸入端相連，第一編碼器[5]、第二編碼器[6]和運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]的輸出端同時(shí)與數(shù)據(jù)采集卡[8]的輸入端相連；數(shù)據(jù)采集卡[8]的輸出端與主控計(jì)算機(jī)[I]相連，主控計(jì)算機(jī)[I]還與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊[9]相連，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人與變電站運(yùn)行調(diào)度中心的無(wú)線(xiàn)通信；電源模塊[10]為主控計(jì)算機(jī)[I]、第一減速電機(jī)[2]、第二減速電機(jī)[3]、激光雷達(dá)[4]、第一編碼器[5]、第二編碼器[6]、運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]和數(shù)據(jù)采集卡[8]供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊[7]包括電流采樣電路、電源轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，電源轉(zhuǎn)換電路的輸入端與電源模塊[10]相連，電源轉(zhuǎn)換電路的輸出端與保護(hù)電路的輸入端相連，保護(hù)電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸入端還與主控計(jì)算機(jī)[I]相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端同時(shí)與電路米樣電路、第一減速電機(jī)[2]和第二減速電機(jī)[3]的輸入端相連，電流米樣電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡[8]相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路為H橋電路，左右半橋?qū)ΨQ(chēng)，其中左半橋包括第一電阻[R1]、第二電阻[R2]、第三電阻[R3]、第四電阻[R4]、第五電阻[R5]、第六電阻[R6]、第一二極管[D1]、第一運(yùn)算放大器[Al]、第一三極管[Q1]、第二三極管[Q2]、第一P溝道MOS管[Q3]和第一N溝道MOS管[Q4]，主控計(jì)算機(jī)[I]與第一運(yùn)算放大器[Al]的同相輸入端相連，第一電阻[R1]的一端與電源模塊[10]的正極相連，第一電阻[R1]的另一端與第一二極管[D1]的陽(yáng)極相連,第一二極管[D1]的陽(yáng)極同時(shí)與第一運(yùn)算放大器[Al]的反相輸入端相連，第一二極管[D1]的陰極與電源模塊[10]的負(fù)極相連，第二電阻[R2]的一端與電源模塊[10]的正極相連，第二電阻[R2]的另一端與第一三極管[Q1]的基極相連，同時(shí)還與第三電阻[R3]的一端相連，第三電阻[R3]的另一端與第一運(yùn)算放大器[Al]的輸出端相連，同時(shí)還與第四電阻[R4]的一端相連，第四電阻[R4]的另一端與第二三極管[Q2]的基極相連，同時(shí)還與第五電阻[R5]的一端相連，第五電阻[R5]的另一端與電源模塊[10]的負(fù)極相連，第一三極管[Q1]的射極與電源模塊[10]的正極相連，第一三極管[Q1]的集電極與第一 P溝道MOS管[Q3]的柵極相連，同時(shí)還與第六電阻[R6]的一端相連，第六電阻[R6]的另一端與第一 N溝道MOS管[Q4]的柵極相連，同時(shí)還與第二三極管[Q2]的集電極相連，第二三極管[Q2]的射極和第一N溝道MOS管[Q4]的源極均與電源模塊[10]的負(fù)極相連，第一 P溝道MOS管[Q3]的源極與電源模塊[10]的正極相連，第一 P溝道MOS管[Q3]的漏極與第一 N溝道MOS管[Q4]的漏極相連，同時(shí)還與第一減速電機(jī)[2]相連；右半橋包括第七電阻[R7]、第八電阻[R8]、第九電阻[R9]、第十電阻[R10]、第十一電阻[R11]、第十二電阻[R12]、第二二極管[D2]、第二運(yùn)算放大器[A2]、第三三極管[Q7]、第四三極管[Q8]、第二 P溝道MOS管[Q5]和第二 N溝道MOS管[Q6]，主控計(jì)算機(jī)[I]與第二運(yùn)算放大器[A2]的同相輸入端相連，第十二電阻[R12]的一端與電源模塊[10]的正極相連，第十二電阻[R12]的另一端與第二二極管[D2]的陽(yáng)極相連，第二二極管[D2]的陽(yáng)極同時(shí)與第二運(yùn)算放大器[A2]的反相輸入端相連，第二二極管[D2]的陰極與電源模塊[10]的負(fù)極相連，第八電阻[R8]的一端與電源模塊[10]的正極相連，第八電阻[R8]的另一端與第三三極管[Q7]的基極相連，同時(shí)還與第九電阻[R9]的一端相連，第九電阻[R9]的另一端與第二運(yùn)算放大器[A2]的輸出端相連，同時(shí)還與第十電阻[R10]的一端相連，第十電阻[R10]的另一端與第四三極管[Q8]的基極相連，同時(shí)還與第十一電阻[R11]的一端相連，第十一電阻[R11]的另一端與電源模塊[10]的負(fù)極相連，第三三極管[Q7]的射極與電源模塊[10]的正極相連，第三三極管[Q7]的集電極與第二 P溝道MOS管[Q5]的柵極相連，同時(shí)還與第七電阻[R7]的一端相連，第七電阻[R7]的另一端與第二 N溝道MOS管[Q6]的柵極相連，同時(shí)還與第四三極管[Q8]的集電極相連，第四三極管[Q8]的射極和第二 N溝道MOS管[Q6]的源極均與電源模塊的負(fù)極相連，第二 P溝道MOS管[Q5]的源極與電源模塊[10]的正極相連，第二 P溝道MOS管[Q5]的漏極與第二 N溝道MOS管[Q6]的漏極相連，同時(shí)還與第二減速電機(jī)[3]相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，還包括自動(dòng)充電裝置，所述自動(dòng)充電裝置與電源模塊[10]相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述主控計(jì)算機(jī)[I]為eBox高頻嵌入式計(jì)算機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述激光雷達(dá)[4]為SICK系列激光雷達(dá)，激光雷達(dá)[4]通過(guò)RS-232串口與主控計(jì)算機(jī)[I]連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述第一減速電機(jī)[2]和第二減速電機(jī)[3]為Maxon系列的石墨電刷直流電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述第一編碼器[5]和第二編碼器[6]為512線(xiàn)雙相光電編碼器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊[10]為24V鋰電池。
【文檔編號(hào)】G01C21/34GK104165636SQ201410401942
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】吳盤(pán)龍, 李星秀, 曹洪君, 姚翔, 張新宇, 薄煜明, 鄒衛(wèi)軍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)