變電站巡檢機器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自主移動機器人定位導(dǎo)航領(lǐng)域，特別是涉及一種變電站巡檢機器人用 定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變電站巡檢機器人是一種全自主運行的地面移動機器人，其可攜帶可見光攝像 機、紅外熱像儀、拾音器等傳感器對電力設(shè)備進行自動巡檢，有效降低人工巡檢的勞動強 度，保障變電站設(shè)備安全運行。
[0003] 在變電站巡檢機器人的應(yīng)用中，精確定位導(dǎo)航是保證其完成巡檢任務(wù)的關(guān)鍵。 目前，變電站巡檢機器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用磁軌跡引導(dǎo)加 RFID(Radio Frenquency Identification，射頻識別）標簽輔助定位方法實現(xiàn)，該方法依靠安裝于機器人底盤前部 的磁傳感器陣列檢測機器人相對于磁軌跡的偏移，據(jù)此控制機器人沿磁軌跡運動，同時在 ?？奎c處設(shè)置RFID標簽，以輔助機器人?？俊Ｔ摲椒煽啃院?、抗干擾能力強并具備較高 的重復(fù)定位精度，但是磁條軌跡的鋪設(shè)涉及大量現(xiàn)場施工、磁條成本及磁條維護成本、一旦 磁軌跡鋪設(shè)完工則巡檢路線不能靈活改變，機器人底盤受限于磁傳感器檢測距離，使得機 器人只能在平地上運動，對于站內(nèi)砂石、草地等自然地形不能適用。
[0004] 為解決這一問題，差分GPS、航位推算、慣性及視覺標識等定位導(dǎo)航方式已被引入 巡檢機器人并在變電站現(xiàn)場進行了測試，但由于變電站室外大規(guī)模環(huán)境里，電力設(shè)備林立 且存在強電磁干擾，上述定位導(dǎo)航方法，因受電磁干擾、誤差累積及視覺標識受雨雪遮擋等 因素影響難以在變電站內(nèi)可靠工作。從公開的資料可知，基于激光傳感器的定位導(dǎo)航表現(xiàn) 出了良好的定位精度和對室外變電站環(huán)境具有較好適應(yīng)性。
[0005] 專利201120115524. 7公開了一種變電站巡檢機器人用激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)，該系 統(tǒng)運行前需要預(yù)先在機器人運行路線兩側(cè)安裝反光標識，機器人依據(jù)激光傳感器檢測到的 反光標識信息就可以計算得到其在全局坐標系下的位置和姿態(tài)。該方法雖然可靠而且精度 好，可靈活改變機器人運行路線，但是由于需要在站內(nèi)設(shè)定反光標識，因此不可避免的會帶 來一定的運維費用。
[0006] 專利201310686467. 1公開了一種巡檢機器人無軌化導(dǎo)航方法，其通過從激光傳 感器掃描數(shù)據(jù)中提取環(huán)境特征，利用SLAM技術(shù)構(gòu)建機器人運行環(huán)境地圖，實現(xiàn)機器人在站 內(nèi)的定位導(dǎo)航。該方法所構(gòu)建的環(huán)境地圖數(shù)據(jù)存儲量小，定位導(dǎo)航實時性好，同時可靈活配 置機器人運行區(qū)域，無需在變電站內(nèi)加裝輔助設(shè)施，極大降低了定位導(dǎo)航系統(tǒng)前期施工和 后期運維費用，但該方法需要從激光傳感器掃描得到的原始數(shù)據(jù)中提取環(huán)境特征，在這一 過程中不可避免的會引入誤差，另外變電站內(nèi)部分區(qū)域特征比較稀疏，所需特征可能無法 提取，因此以上兩方面最終都會影響機器人站內(nèi)定位導(dǎo)航效果。
[0007] 文獻"基于地圖匹配的變電站巡檢機器人激光導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計"提出了一種利用激 光數(shù)據(jù)匹配的機器人地圖創(chuàng)建及定位導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)中的地圖創(chuàng)建模塊通過將里程計與激 光掃描數(shù)據(jù)融合創(chuàng)建變電站環(huán)境地圖，之后機器人位姿解算利用ICP-EKF算法將激光傳感 器獲取數(shù)據(jù)與創(chuàng)建的環(huán)境地圖進行匹配，從而獲得機器人全局坐標系下的位置和姿態(tài)，但 該系統(tǒng)中地圖數(shù)據(jù)以柵格方式存儲，為實現(xiàn)所需定位解算精度其必須采用小尺度柵格，在 變電站大規(guī)模環(huán)境下該方式的柵格數(shù)據(jù)存儲量較大，必然造成定位導(dǎo)航過程中的計算量較 大。
[0008] 另外，上述文獻與專利201110216379. 6公開了一種利用Floyd(弗洛伊德）算法 計算所有路徑點之間的最短路徑的路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)了機器人在站內(nèi)執(zhí)行特殊巡檢任務(wù) 時沿最短路徑運行，但實際使用中由于變電站內(nèi)?？奎c數(shù)量眾多，以上路徑規(guī)劃算法只能 采用離線方式計算節(jié)點間的最短路徑，一旦計算并存儲完成，每一個新節(jié)點的加入都必須 對所有節(jié)點重新計算和存儲，計算效率不高且路徑存儲量較大，因此上述方法難以滿足變 電站某些突發(fā)情況發(fā)生時，需要在線規(guī)劃機器人運行路徑，使機器人迅速到達站內(nèi)臨時設(shè) 定的停靠點執(zhí)行檢測任務(wù)的需求。
[0009] 總之，現(xiàn)有的技術(shù)存在的主要問題為：
[0010] 1、變電站巡檢機器人無法實現(xiàn)定位導(dǎo)航實時性的前提下實現(xiàn)巡檢機器人變電站 內(nèi)精確定位；
[0011] 2、從激光數(shù)據(jù)提取環(huán)境特征容易引入誤差對定位導(dǎo)航精度的影響，無法實現(xiàn)通過 對當(dāng)前激光測距數(shù)據(jù)與地圖中激光路標包含的測距數(shù)據(jù)的匹配，機器人停靠點處的定位精 度不高。
[0012] 3、變電站巡檢機器人現(xiàn)有的路徑規(guī)劃計算效率較低，無法滿足機器人根據(jù)特殊巡 檢任務(wù)在線規(guī)劃機器人行駛路徑的需求。
[0013] 4、現(xiàn)有的變電站巡檢機器人沒有建立運行環(huán)境地圖，沒有與原有全局激光路標地 圖融合，效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種基于多分辨率地圖的巡檢機器人 定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，考慮到變電站巡檢機器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時需要在?？奎c進行精確停 靠后才能有效的執(zhí)行巡檢任務(wù)，而對?？奎c間機器人運行過程中的定位精度要求不高，為 此，本發(fā)明通過構(gòu)建表示機器人運行環(huán)境的激光路標、柵格及拓撲相結(jié)合的多分辨率地圖， 利用基于柵格地圖的粗定位與基于激光路標原始數(shù)據(jù)精細定位相結(jié)合定位解算方法，保證 定位導(dǎo)航實時性的前提下實現(xiàn)巡檢機器人變電站內(nèi)精確定位；同時，針對變電站機器人巡 檢路線特點，提出了一種基于拓撲點分類的全局路徑規(guī)劃方法，可有效提高路徑規(guī)劃計算 效率并降低存儲消耗，滿足機器人某些情況下需要在線規(guī)劃機器人運行路徑的需求。
[0015] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0016] 變電站巡檢機器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：激光測距模塊所采集的機器人周邊障礙 物相對于激光傳感器掃描中心的距離信息及航位推算模塊所得到的當(dāng)前機器人在全局坐 標系下的位置姿態(tài)估計分別輸出至地圖創(chuàng)建模塊與位姿解算模塊，地圖創(chuàng)建模塊根據(jù)得到 的信息創(chuàng)建表示機器人運行環(huán)境的激光路標地圖與激光柵格地圖并輸入地圖存儲模塊進 行存儲，所述位姿解算模塊利用地圖存儲模塊中的地圖數(shù)據(jù)以及航位推算模塊的輸出數(shù)據(jù) 實時解算機器人當(dāng)前位置和姿態(tài)并將所得到的位姿數(shù)據(jù)接入路徑規(guī)劃模塊與運動控制模 塊，路徑規(guī)劃模塊生成機器人運行路徑數(shù)據(jù)并輸出至運動控制模塊，運動控制模塊依據(jù)機 器人當(dāng)前位置姿態(tài)數(shù)據(jù)及路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)生成運動控制量，之后由電機控制模塊執(zhí)行。
[0017] 所述激光測距模塊，由固定安裝于機器人本體上的激光測距傳感器構(gòu)成。
[0018] 所述航位推算模塊，具體用于將運動控制模塊上發(fā)的機器人驅(qū)動電機軸編碼器脈 沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)定計算周期內(nèi)驅(qū)動輪移動距離，經(jīng)機器人航位推算模型得到當(dāng)前機器人在 全局坐標系下的位置姿態(tài)估計。
[0019] 所述地圖創(chuàng)建模塊，該模塊融合激光測距數(shù)據(jù)和里程計數(shù)據(jù)，利用 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同時定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)創(chuàng)建表示機 器人運行環(huán)境的激光路標地圖與激光柵格地圖。
[0020] 所述地圖存儲模塊，該模炔基于實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，可實時進行地圖數(shù)據(jù)的存儲及 查詢操作，同時機器人巡檢任務(wù)生成過程中也需要與該模塊進行數(shù)據(jù)交互，以確定巡檢任 務(wù)起點和終點信息。
[0021] 所述位姿解算模塊，利用地圖存儲模塊中的地圖數(shù)據(jù)，以及航位推算模塊的輸出， 利用基于柵格地圖的粗定位與基于激光原始數(shù)據(jù)精細定位相結(jié)合方法，實時解算機器人當(dāng) 前位置和姿態(tài)。
[0022] 所述路徑規(guī)劃模塊，該模塊負責(zé)生成機器人激光路表拓撲地圖與全局路徑規(guī)劃用 拓撲地圖，依據(jù)巡檢任務(wù)規(guī)劃機器人巡檢運行路線。
[0023] 所述運動控制模塊：可根據(jù)機器人定位模塊輸出機器人位姿數(shù)據(jù)及路徑規(guī)劃模塊 輸出路徑數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人對設(shè)定路徑的跟蹤，所生成的控制量由電機驅(qū)動模塊執(zhí)行。
[0024] 所述電機驅(qū)動模塊：接收運動控制模塊的電機控制量，依據(jù)電機軸編碼器信號閉 環(huán)控制控制巡檢機器人驅(qū)動輪伺服電機，實現(xiàn)機器人在變電站內(nèi)運行。
[0025] 基于多分辨率地圖的變電站巡檢機器人定位導(dǎo)航的方法，包括以下步驟：
[0026] 步驟一：利用激光測距模塊采集的機器人周邊障礙物相對于激光傳感器掃描中心 的距離信息，利用航位推算模塊得到的當(dāng)前機器人在全局坐標系下的位置姿態(tài)估計，將激 光測距模塊及航位推算模塊的結(jié)果分別輸出至地圖創(chuàng)建模塊與位姿解算模塊；
[0027] 步驟二：地圖創(chuàng)建模塊根據(jù)得到的信息創(chuàng)建表示機器人運行環(huán)境的激光路標地圖 與激光柵格地圖并輸入地圖存儲模塊進行存儲；
[0028] 步驟三：位姿解算模塊利用地圖存儲模塊中的地圖數(shù)據(jù)以及航位推算模塊的輸出 數(shù)據(jù)實時解算機器人當(dāng)前位置和姿態(tài)并將所得到的位姿數(shù)據(jù)接入路徑規(guī)劃模塊與運動控 制豐吳塊；
[0029] 步驟四：路徑規(guī)劃模塊生成機器人激光路表拓撲地圖與全局路徑規(guī)劃用拓撲地 圖，依據(jù)巡檢任務(wù)規(guī)劃機器人巡檢運行路線，路徑規(guī)劃得到的路徑數(shù)據(jù)輸入運動控制模塊 執(zhí)行。
[0030] 所述步驟二中，地圖創(chuàng)建模塊創(chuàng)建表示機器人運行環(huán)境的激光路標地圖與激光柵 格地圖，具體包括以下步驟：
[0031] 步驟：2_1):地圖創(chuàng)建初始化；
[0032] 步驟：2-2):獲取k至k+Ι時刻過程中機器人位置姿態(tài)變化量，經(jīng)航位推算模塊計 算得到機器人全局坐標系下的位置姿態(tài)估計值；
[0033] 步驟：2_3):在k+Ι時刻，獲取激光測距模塊數(shù)據(jù)，與地圖存儲模塊中距機器人當(dāng) 前位置最近的