變電站巡檢機器人GPS導航研究*

肖 鵬，張彩友，馮 華，欒貽青

(1.山東電力研究院國家電網(wǎng)電力機器人技術實驗室，山東濟南250002;2.浙江省電力公司嘉興電力局，浙江 嘉興314033)

0 引言

變電站巡檢機器人是輪式移動機器人的一種，其能夠以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守變電站對室外高壓設備進行巡檢，采集電力設備運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)電力設備的熱缺陷、異物懸掛等設備異常現(xiàn)象，保證電力生產安全［1］。在導航方式上，變電站巡檢機器人普遍采用磁軌跡導航，由安裝于機器人前部的磁傳感器陣列檢測機器人相對于磁軌跡的偏移，通過兩輪差速的方式控制其沿磁軌跡運行。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，雖然該導航方式具有厘米級的導航定位精度，并且重復性好，抗干擾能力強，但其缺點是磁軌跡鋪設工作量大，路線一旦確定就不能隨意更改，并且，磁軌跡長期暴露于室外，室外環(huán)境會導致磁軌跡磁性減弱和開裂損壞;磁傳感器檢測距離較近造成機器人底盤較低，越障能力不強;另外，磁軌跡導航方式不能實時反饋當前機器人在變電站內所處的精確位置，不利于操作人員對機器人運行的遠程監(jiān)控。

目前，用于移動機器人較為成熟的導航方式除了磁軌跡導航外，還有慣性導航，激光導航，GPS導航和視覺［2］，針對磁軌跡導航方式的不足，考慮到慣性導航定位數(shù)據(jù)是通過積分累加得到，導航精度會隨時間推移而降低，不適合長時間精確定位，同時，室外環(huán)境對激光和視覺導航存在不利影響，而GPS導航則可直接從GPS接收機得知當前測點的絕對位置坐標，其動態(tài)定位精度最高可達厘米級，且不存在誤差累積，理論上可以精確地得到變電站內任意位置的坐標，本文選擇GPS導航作為磁軌跡導航的替代導航方式，論述了GPS導航在變電站巡檢機器人應用中涉及的原理方法，并在變電站現(xiàn)場進行了測試。

1 巡檢機器人GPS導航系統(tǒng)組成

隨著GPS定位技術的發(fā)展，GPS定位在實時性和準確性方面都有很大提高，差分GPS定位以及實時動態(tài)測量(real time kinematics，RTK)技術的應用，使GPS具備厘米級動態(tài)定位精度，在定位精度上完全滿足巡檢機器人導航的要求。圖1為巡檢機器人GPS導航系統(tǒng)組成結構，系統(tǒng)中GPS基準站靜止安放于空曠位置，GPS 移動站則安裝于巡檢機器人本體，數(shù)據(jù)鏈路負責將GPS基準站生成的差分數(shù)據(jù)傳輸至移動站，移動站采集GPS觀測數(shù)據(jù)并結合接收到的差分數(shù)據(jù)，計算得到移動站天線中心處厘米級定位數(shù)據(jù)，然后，通過串口輸出至導航控制系統(tǒng)控制巡檢機器人運行。導航系統(tǒng)中移動站天線固定于機器人輪軸線中心，這樣整個機器人的位置就可由移動站天線中心確定［3］。

圖1 巡檢機器人GPS導航系統(tǒng)示意圖Fig 1 Schematic diagram of GPS navigation system

2 巡檢機器人GPS導航控制原理

為使巡檢機器人在變電站內按照要求運行，首先必須知道其所要行走的路徑信息，由于變電站內巡檢路線中的路徑絕大多數(shù)為直線，因此，本文將機器人運行路徑均簡化為直線路徑，對于巡檢路線中長距離轉彎則可用幾段直線路徑代替，機器人導航控制就可歸結為對機器人相對于當前運行路徑的位置偏差Δs和航向偏差Δθ的控制。路徑的起點和終點可利用GPS移動站的靜態(tài)測量功能得到，各條路徑相互連接就可以確定機器人的運行路線，路徑點的順序不同所定義的機器人的運行路線也就不同，這樣，機器人的運行路線就可以靈活確定。實際導航時，利用GPS移動站實時輸出的高精度定位數(shù)據(jù)，由導航控制系統(tǒng)處理后閉環(huán)控制機器人左右兩輪速度，使其始終沿著預先設定的巡檢路線運行。巡檢機器人導航控制原理如圖2所示。

圖2 巡檢機器人導航控制原理圖Fig 2 Navigation control principle of inspection robot

由于GPS定位數(shù)據(jù)均為WGS—84大地坐標系下的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，為方便GPS定位數(shù)據(jù)的處理，本文以基準站GPS天線中心為坐標原點，以經(jīng)過坐標原點的WGS—84橢球法線為Z軸，X軸和Y軸分別指向東向和北向建立站心直角坐標系［4］，GPS移動站輸出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)均轉換至該坐標系下處理。另外，變電站地勢均比較平坦，巡檢機器人運行路線幾乎都在同一平面內，因此，導航控制計算中舍棄了所得位置坐標在站心坐標系中Z軸數(shù)據(jù)，從而降低了導航控制算法的復雜性。巡檢機器人導航過程中位置和航向偏差如圖3所示。

圖3 巡檢機器人位置和航向偏差Fig 3 Position and course deviation of inspection robot

通過GPS移動站可得到機器人當前位置(x，y)，而機器人航向θ則可由GPS輸出位置數(shù)據(jù)推算得到。已知路徑中心線起點P1(x1，y1)和終點P2(x2，y2)，由以下兩式可以求得機器人與行駛路徑的位置偏差Δs和機器人航向與路徑方向的偏差Δθ。

式中 θ=tan－1［(y－y－1)/(x－x－1)］，(x－1，y－1)為前一個航向推算結束時得到的機器人位置坐標，參與Δθ計算的角度數(shù)據(jù)取值范圍為［0°，360°)，而Δs和Δθ的正負則反映了巡檢機器人相對于運行路徑是偏右還是偏左。

假定機器人運行速度為v，為了調整機器人運行姿態(tài)，可根據(jù)計算得到的Δs和Δθ，分別乘以系數(shù)Ks和Kθ(均為非負值，具體數(shù)值可由現(xiàn)場調試確定)，就可得到機器人兩輪的速度控制量增量

最終輸出給左右兩輪的運行速度vL和vR分別為

盡管GPS移動站也能輸出機器人的航向，但本文中巡檢機器人的航向卻是由定位數(shù)據(jù)推算得到，這是因為在同等定位精度的情況下，航向推算中所用兩定位點距離間隔越遠，則推算得到的航向數(shù)據(jù)的波動越小，雖然這樣會使航向數(shù)據(jù)的實時性降低，但采用這種方式，可以根據(jù)當前機器人運行狀態(tài)(直線路徑運行或轉向)，由導航控制程序靈活選擇航向推算中兩定位點之間的距離，在保證導航控制精度的前提下，提高機器人運行的穩(wěn)定性。

3 巡檢機器人GPS導航測試

為測試巡檢機器人GPS導航效果和現(xiàn)場環(huán)境對GPS導航系統(tǒng)產生的影響，在變電站現(xiàn)場對導航系統(tǒng)進行了測試，測試均選擇在天空衛(wèi)星幾何分布圖形較好的時間段進行。測試使用了徠卡GPS1200系統(tǒng)，基準站和移動站均包含24通道準扼流圈天線和接收機，可同時處理GPS衛(wèi)星播發(fā)的L1和L2波段數(shù)據(jù)，GPS移動站定位數(shù)據(jù)輸出頻率最高為20 Hz，RTK工作模式下其動態(tài)定位精度:平面為(10+1×10－6)mm，垂直為(20+1×10－6)mm［5］。

測試過程中的路徑點分別定義為A，B，C，D，其定義的路徑AB(BA)和BC(CB)段位于設備區(qū)外，CD(DC)段位于設備區(qū)內。機器人控制計算機通過解析GPS移動站輸出的符合NMEA—0183格式的定位數(shù)據(jù)，得到機器人當前位置的經(jīng)緯度坐標，再轉換為站心坐標后控制機器人運行。為保證機器人運行安全，導航控制過程中同時檢測移動站輸出的GPS定位誤差和跟蹤衛(wèi)星數(shù)，當定位精度超出厘米級或跟蹤衛(wèi)星數(shù)小于4顆(RTK初始化時需要跟蹤至少5顆衛(wèi)星，之后，則只需跟蹤4顆衛(wèi)星就可連續(xù)工作［6］)時就立即控制機器人停止運動，等到定位精度恢復后再重新按照原路線繼續(xù)運行。測試中機器人運行速度均為0.5 m/s，直線運行時大約每隔0.05 m推算一次航向，GPS移動站定位數(shù)據(jù)輸出頻率為10 Hz。

巡檢機器人沿路徑點ABCD運行記錄得到的數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，其中，圖中(c)，(d)，(e)，(f)為機器人直線運行時記錄得到的數(shù)據(jù)。

圖4 沿路徑點ABCD運行測試GPS導航數(shù)據(jù)圖Fig 4 GPS navigation data map of movement test along ABCD

圖4中，變電站設備區(qū)外GPS定位良好，BC段直線運行時 Δs均小于0.04m，經(jīng)計算得到 Δθ方差為3.35 °;而設備區(qū)內CD段GPS定位受到干擾，在機器人運行軌跡上的干擾分布范圍約為10 m，另外還存在一些零星的干擾點，由圖4(b)可以看出:在采樣點400～800和10000～12500的范圍內，定位精度一直受較大影響，定位誤差較大，機器人停止運動等待GPS定位數(shù)據(jù)恢復所需精度，由于此時定位誤差導致航向推算仍在進行，航向角跳動劇烈，圖4(e)，(f)所示。

完成上述測試后，巡檢機器人沿路徑點DCBA返回至A點，此過程中得到的數(shù)據(jù)如圖5所示，其中，圖5(c)，(d)，(e)，(f)同樣為機器人直線運行時記錄得到的數(shù)據(jù)。

圖5 沿路徑點DCBA運行測試GPS導航數(shù)據(jù)圖Fig 5 GPS navigation data map of movement test along DCBA

而由圖5則可以看出:機器人沿DCBA路徑點運行過程中，GPS受干擾的區(qū)域明顯較第1次測試多，且受干擾的位置也與第1次測試不同，從(a)，(b)，(c)，(d)中可以看出:在整個DC段運行過程中GPS均受到較大的干擾，但在設備區(qū)外BC段直線運行時GPS定位精度與第1次測試所得結果基本一致(圖5(b)采樣點20 000之后)，Δs小于0.025 m，Δθ方差為4.5°。

綜合圖4和圖5，可以得出如下結論:

1)變電站設備區(qū)內GPS定位受干擾影響，受干擾時定位精度達到米級，由于2次測試受干擾的位置和范圍不同，可知變電站設備區(qū)內GPS定位所受干擾具有隨機性。

2)圖4和圖5(b)顯示整個導航過程中GPS移動站跟蹤衛(wèi)星個數(shù)均不少于4顆;在GPS定位受嚴重干擾致使機器人停止運動之前跟蹤衛(wèi)星數(shù)存在減少的趨勢，而在機器人靜止等待定位精度恢復的過程中跟蹤衛(wèi)星數(shù)增加，但跟蹤衛(wèi)星數(shù)波動較大，RTK重新初始化時間較長。

3)圖4(c)，(d)和圖5(e)，(f)設備區(qū)外直線段運行時，機器人導航控制效果良好，位置偏差均小于0.05m，同時，機器人運行接近變電站設備區(qū)時，Δs和Δθ數(shù)據(jù)曲線波動出現(xiàn)增大的趨勢。

4)遮擋、屏蔽、電磁干擾以及數(shù)據(jù)鏈路故障均可造成GPS移動站無法得到巡檢機器人當前準確位置［7］，通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)設備區(qū)內數(shù)據(jù)鏈路工作正常，并且，由結論(2)知，兩次測試中跟蹤衛(wèi)星數(shù)均滿足RTK連續(xù)工作要求，甚至在機器人停止運行后有時仍能跟蹤10顆衛(wèi)星，綜合上面的分析結果可以推斷設備區(qū)內GPS無法準確定位的主要原因并非遮擋、屏蔽和數(shù)據(jù)鏈路故障，而是由設備區(qū)內電磁場干擾所引起。

4 結束語

本文論述了GPS導航在變電站巡檢機器人應用中所涉及的原理和方法，并在變電站現(xiàn)場對導航系統(tǒng)進行了測試，為GPS在該領域內應用研究積累了經(jīng)驗。通過現(xiàn)場測試，雖然RTK可使GPS動態(tài)定位精度達到厘米級，但在變電站設備區(qū)內GPS導航容易受到隨機性干擾，使其不能可靠連續(xù)地完成巡檢機器人的導航任務。單一GPS導航不能滿足巡檢機器人變電站內精確、可靠連續(xù)運行的要求，因此，應考慮引入其他導航方式與GPS一起組成組合導航系統(tǒng)，在發(fā)揮GPS導航優(yōu)勢的同時，彌補單一GPS導航所存在的問題，另外，對于變電站內GPS受干擾的機理及相關應對措施，還有待今后做進一步研究。

［1］魯守銀，錢慶林，張 斌，等.變電站巡檢機器人的研制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(13):94－98.

［2］王志文，郭 戈.移動機器人導航技術現(xiàn)狀及展望［J］.機器人，2003，25(5):470－474.

［3］Bouvet D，Garcia G.Improving the accuracy of dynamic localization systems using RTK GPSby identifying the GPSlatency［C］∥Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation.2000:2525－2530.

［4］王惠南.GPS導航原理與應用［M］.北京:科學出版社，2003.

［5］Leica Geosystems AG.GPS1200 Technical Data［DB/OL］.［2005—10—25］.http:∥www.leica-geosystems.com.

［6］He Bo.Precise navigation for a 4WSmobile robot［J］.Journal of Zhejiang University Science A，2006，7(2):185－193.

［7］羅永權.RTK在市政工程測量中的應用［J］.測繪通報，2006(7):40－42.