電廠智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究及應(yīng)用

蘇 暉,劉魯京

（神華國華電力研究中心，北京,100025）

電廠智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究及應(yīng)用

蘇 暉,劉魯京

（神華國華電力研究中心，北京,100025）

本文詳細(xì)介紹了電廠智能巡檢機(jī)器人的幾種導(dǎo)航方式，包括：電磁導(dǎo)航、射頻識別導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航和SLAM導(dǎo)航，并對導(dǎo)航的發(fā)展方向提出了見解。

電廠；機(jī)器人；導(dǎo)航

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的大力發(fā)展以及巡檢機(jī)器人制造水平的突飛猛進(jìn)，利用機(jī)器人代替人工進(jìn)行電廠巡檢，已經(jīng)成為現(xiàn)實。機(jī)器人巡檢既具有人工巡檢的靈活性以及智能型，同時又能彌補人工巡檢存在的安全隱患以及效率和精度的不足，為發(fā)電廠設(shè)備巡檢提供了全新的巡檢方式和監(jiān)測手段，更好的適應(yīng)了發(fā)電廠向數(shù)字化、智能化發(fā)展的需求，具有巨大的技術(shù)優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展空間，代表了智能發(fā)電廠巡檢技術(shù)的發(fā)展方向。

巡檢機(jī)器人技術(shù)融合了精準(zhǔn)導(dǎo)航定位、多傳感器融合、圖像識別、非接觸檢測、移動物聯(lián)、測控、觸覺傳感等多種技術(shù)，其中導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人實現(xiàn)自主巡檢的前提，是保證巡檢質(zhì)量和效率的必備條件。本文將詳細(xì)介紹常用的幾種機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)。

1 機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究分析

電廠巡檢機(jī)器人根據(jù)使用區(qū)域、行進(jìn)方式的不同，導(dǎo)航方式主要分為以下幾種：電磁導(dǎo)航、射頻識別導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航和SLAM導(dǎo)航。

1.1 電磁射頻識別組合導(dǎo)航。電磁導(dǎo)航一般配合RFID（射頻識別）一起使用，在地面上鋪設(shè)磁軌道，其包含多條引導(dǎo)電纜，每條電纜流經(jīng)不同頻率的電流，機(jī)器人通過感應(yīng)線圈對電流的檢測來感應(yīng)路徑信息，作為移動路線，在需要停止進(jìn)行巡檢的位置預(yù)埋RFID，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。機(jī)器人在巡檢過程中，其上的磁傳感器陣列檢測機(jī)器人中心相對于磁軌道的偏差，然后利用運動控制裝置調(diào)整機(jī)器人左右輪的差速，從而使機(jī)器人沿磁軌道行駛。機(jī)器人需要停止巡檢的位置一般由兩個RFID標(biāo)簽進(jìn)行控制，第一個標(biāo)簽為減速點，包含停站點的距離信息，當(dāng)巡檢機(jī)器人檢測到減速點標(biāo)簽后，即根據(jù)停站點距離信息選擇合適的多級減速方案，確保機(jī)器人在到達(dá)精確停站點時處于低速可即停狀態(tài)，此時當(dāng)機(jī)器人檢測到停站點標(biāo)簽時，立即精確停站。電磁導(dǎo)航的優(yōu)點是巡檢機(jī)器人能夠精準(zhǔn)運動，能夠做到精準(zhǔn)定位，并且抗干擾能力強，缺點是需要預(yù)鋪磁軌道，機(jī)器人不能預(yù)測道路變化趨勢及不能高速運行，嚴(yán)重限制了機(jī)器人的巡檢效率。

1.2 激光導(dǎo)航。激光導(dǎo)航利用視覺傳感器拍攝路面圖像，通過圖像識別技術(shù)，提取具有特征的點，作為路標(biāo)，并計算各路標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，為激光導(dǎo)航提供依據(jù)。 巡檢機(jī)器人運行時，激光定位傳感器通過檢測路標(biāo)信息（檢測到的路標(biāo)信息不能少于3點），利用三角測量法計算得到機(jī)器人的位置信息，從而調(diào)整運行路線。具體實現(xiàn)原理為：機(jī)器人的激光傳感器每掃描一周就會得到被檢測路標(biāo)相對激光傳感器的夾角，當(dāng)檢測到3個路標(biāo)后，經(jīng)過迭代計算就可以得到激光傳感器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，結(jié)合設(shè)定的導(dǎo)航路線數(shù)據(jù)，計算得到機(jī)器人相對于設(shè)定路徑的位置偏差和航向偏差，通過調(diào)整左右輪驅(qū)動器的速度進(jìn)行路線調(diào)整，引導(dǎo)機(jī)器人沿設(shè)定路線運行。

1.3 視覺導(dǎo)航。機(jī)器人通過裝配的攝像頭拍攝路面及環(huán)境的局部圖像，通過圖像處理技術(shù)，進(jìn)行圖像特征識別、距離估計等，作為視覺導(dǎo)航的依據(jù)。機(jī)器人運行時對拍攝到的畫面進(jìn)行采集、預(yù)處理、壓縮，與之前存儲的圖像進(jìn)行對比，通過一系列算法，計算得到機(jī)器人的當(dāng)前位置。為了將障礙物和背景分開，一般需要進(jìn)行大量的圖像分析，導(dǎo)致導(dǎo)航實時性受限，針對該問題一般把掃描到的圖像分為目標(biāo)、背景、不平地區(qū)和平地四部分，來減少無用信息的分析，提高導(dǎo)航速度。由于僅通過單幅圖像分析出來的信息來判斷障礙物和運行速度存在很大誤差，因此在實際中往往采用多攝像頭進(jìn)行導(dǎo)航。

視覺導(dǎo)航的優(yōu)點是導(dǎo)航定位精度高，信號探測的范圍廣，缺點為首先現(xiàn)有的視覺導(dǎo)航技術(shù)圖像處理速度和移動速度不能很好的匹配，造成運行中常出現(xiàn)一定的延遲，其次對不同的道路環(huán)境和復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境不能較好的適應(yīng)，實時性和魯棒性有所欠缺。

1.4 GPS導(dǎo)航。GPS導(dǎo)航原理是通過計算物體與GPS衛(wèi)星的距離，通過三邊測量法來計算定位物體的位置及速度信息，定位所需的GPS衛(wèi)星不能少于3顆，該方法要求整個系統(tǒng)中存在一個高精度的時間基準(zhǔn)以保證距離測量的準(zhǔn)確度。GPS導(dǎo)航技術(shù)一般分為三種：高精度差分GPS導(dǎo)航技術(shù)、DGPS/DR組合導(dǎo)航技術(shù)以及GPS/慣性導(dǎo)航技術(shù)。

高精度差分GPS導(dǎo)航技術(shù)原理是首先建立差分GPS基準(zhǔn)臺，基準(zhǔn)臺建立后其精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)便確定了，然后通過計算被測點根據(jù)該基準(zhǔn)點的修正坐標(biāo)后發(fā)送給被測點，對被測點進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS定位分為三類：位置差分、偽距差分和相位差分。

DGPS/DR組合導(dǎo)航技術(shù)是一種傳統(tǒng)的跟蹤導(dǎo)航算法技術(shù)，當(dāng)物體突然失去GPS信號時，通過DR進(jìn)行位置計算。具體原理是根據(jù)運動物體的當(dāng)前位置坐標(biāo)，通過慣性導(dǎo)航元件測量物體移動速度和航向角，進(jìn)而推算物體在下一時刻的位置坐標(biāo)。此種技術(shù)會隨著時間的增加導(dǎo)致精度大幅下降，DR導(dǎo)航不能單獨、長時間使用，常常作為一種短時輔助的定位手段。

GPS/慣性導(dǎo)航技術(shù)以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過加速度計和陀螺儀測量物體在慣性參考系的加速度和轉(zhuǎn)動角速度，通過時間積分，把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，從而得到物體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置。由于慣性導(dǎo)航技術(shù)不與外界發(fā)生光、電交換，不向外界輻射電磁信號，因此有很好的隱蔽性和抗干擾能力，但是由于導(dǎo)航信息是由于積分產(chǎn)生，定位誤差會隨著時間的增加而增大，導(dǎo)致其不能長時間獨立工作，并需要初始化，其價格也相對比較昂貴。

GPS導(dǎo)航技術(shù)的前提是需要有穩(wěn)定的GPS信號，但在電廠強電磁環(huán)境下、室內(nèi)或鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)GPS信號會大幅減弱，嚴(yán)重影響巡檢機(jī)器人的定位導(dǎo)航。此種導(dǎo)航技術(shù)只能適合室外巡檢機(jī)器人應(yīng)用。

1.5 超聲波導(dǎo)航。超聲波是一種頻率在20Hz以上的聲波，傳播路徑為直線傳播，遇到固體會產(chǎn)生反射，運用這種特點，通過接收超聲波傳感器自身發(fā)射的超聲波信號，利用時間差，計算前方物體距離。超聲波傳感器角度分辨率較差，但具探測速度快、靈敏度、距離分辨率高。在實際應(yīng)用中，超聲波傳感器存在一定的局限性，往往配合其他的導(dǎo)航方式一起應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)避障。

1.6 SLAM導(dǎo)航。SLAM導(dǎo)航指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下,在完全未知環(huán)境中通過定位、建圖、SLAM算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航，前面提到的激光導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航都是SLAM導(dǎo)航。

2 結(jié)束語

目前，由于電廠巡檢機(jī)器人要同時應(yīng)用于室內(nèi)和室外，大多數(shù)采用電磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航，能夠滿足巡檢運行的需要。隨著導(dǎo)航定位精度要求的提高，視覺導(dǎo)航將成為導(dǎo)航技術(shù)未來的發(fā)展方向，隨著計算機(jī)視覺理論及算法的發(fā)展及處理能力的提高，實時性和魯棒性得到解決后，視覺導(dǎo)航將成為巡檢機(jī)器人的主要導(dǎo)航方式。

[1] 肖鵬.變電站智能巡檢機(jī)器人激光導(dǎo)航系統(tǒng)研究.天津:自動化與儀表,2015（5）.

[2] 祖麗楠.變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航方法研究.北京:科學(xué)技術(shù)與工程,2014（9）.

蘇暉, 男,1984年出生, 2005年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，高級工程師，2012年獲華北電力大學(xué)動力工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)工作于神華國華電力研究中心，從事熱工及信息專業(yè)工作。

劉魯京，男,1988年出生,2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)技術(shù)，工程師，現(xiàn)工作于神華國華電力研究中心，從事信息專業(yè)工作。

Research and application of navigation technology for power plant intelligent inspection robot

Su Hui,Liu Lujing
(Shenhua Guohua Electric Research Center，Beijing，100025)

This article introduces several methods of navigation technology for power plant intelligent inspection robot:electromagnetic navigation,radio frequency identification navigation,laser navigation, visual navigation,GPS navigation,inertial navigation,ultrasonic navigation and SLAM navigation,and next proposes opinions on development direction of navigation.

Power plant；Robot；Navigation technology