智能巡檢機(jī)器人調(diào)度與路線規(guī)劃能力

徐　波,　王金生,　徐洲石

(國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司, 江西 上饒　334000)

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智能巡檢機(jī)器人調(diào)度與路線規(guī)劃能力

徐波,王金生,徐洲石

(國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司, 江西 上饒334000)

摘要：機(jī)器人在巡檢過程中由于人工臨時(shí)干預(yù)巡檢線路而導(dǎo)致機(jī)器人使用不連續(xù)、無法完成既定任務(wù)的問題，在基于此全局路徑規(guī)劃尋找一條經(jīng)過所有選定標(biāo)注?？奎c(diǎn)最短路徑，經(jīng)過后臺算法模型得出最短、最優(yōu)化的巡視路徑，用自主讓行方法確定需要讓行區(qū)域后，將重新規(guī)劃巡檢路線，繞過正在檢修的區(qū)域完成全站巡檢。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人; 導(dǎo)航方式; 全路徑; 自主讓行

0引言

目前，變電站設(shè)備巡視過程主要通過人工+指導(dǎo)書巡視方式，在借助一些比如紅外測溫儀、可見光相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等輔助工具實(shí)現(xiàn)設(shè)備巡視。在巡視過程中，需要考慮人員安全性、工作負(fù)荷率等一系列問題。而變電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的引入，大大提高了電力系統(tǒng)智能化水平，并且可以解決變電站多、人工巡視質(zhì)量不高等一系列問題[1]。智能巡檢機(jī)器人調(diào)度與路線規(guī)劃能力是決策巡檢的重要組成部分，對變電站智能巡檢機(jī)器人完成全局巡視具有重要意義。

智能巡檢機(jī)器人在變電站巡檢過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)變電設(shè)備檢修或者維護(hù)、施工等一系列工作，會用安全圍欄將運(yùn)行設(shè)備圍起。由于封鎖路線區(qū)域是智能機(jī)器人巡視道路，將會阻礙智能巡檢機(jī)器人前進(jìn)的道路，從而影響智能巡檢機(jī)器人的正常巡檢計(jì)劃[2]。智能巡檢機(jī)器人調(diào)度與路線規(guī)劃能力需要從基于導(dǎo)航不同方式應(yīng)用、全局路徑規(guī)劃能力、自主讓行三個方面進(jìn)行分析。

1基于導(dǎo)航不同方式應(yīng)用

智能巡檢機(jī)器人通過視覺導(dǎo)航可以完成變電站設(shè)備巡檢任務(wù)，視覺導(dǎo)航方式是諸多導(dǎo)航方式的一種，具有豐富的信息量和智能化水平較高的特點(diǎn)，是智能機(jī)器人應(yīng)用功能發(fā)展的主要方向，其中有一種實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法需要在路面上作出導(dǎo)航線，交叉路口設(shè)置路標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行自主定位，再通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間路徑規(guī)劃引導(dǎo)智能機(jī)器人沿著導(dǎo)航線經(jīng)由各個路徑節(jié)點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位置。在視覺導(dǎo)航控制中，對各個路徑節(jié)點(diǎn)的合理編碼和準(zhǔn)確識別非常重要[3]。只有精準(zhǔn)識別出路徑節(jié)點(diǎn)，并對自身準(zhǔn)確定位，才能通過進(jìn)一步的規(guī)劃路徑，明確下一步的操作，從而做出正確的動作行為，完成導(dǎo)航任務(wù)。編碼識別一般采用二進(jìn)制編碼方式，通過黑和白兩種顏色來表示二進(jìn)制的“0”和“1”，通過黑白兩色的組合就能表示大量不同的二進(jìn)制編碼，區(qū)分各個路徑節(jié)點(diǎn)，確定好路徑編碼方案后，對變電站現(xiàn)場巡視路徑進(jìn)行編號，并根據(jù)每個路徑節(jié)點(diǎn)編號所對應(yīng)的二進(jìn)制編碼，再根據(jù)方案要求進(jìn)行變電站巡視現(xiàn)場道路鋪設(shè)，包括交叉路口點(diǎn)。智能巡檢機(jī)器人在巡視過程中，通過云臺攝像頭獲取圖形、圖像進(jìn)行二進(jìn)制分析，截取編碼圖案類似二維碼，對二維碼圖像進(jìn)行水平方向投射，再從左到右順次掃描確定各個二維碼條紋的邊界，最好根據(jù)二維碼信息和像素解出二進(jìn)制編碼位就得出路徑節(jié)點(diǎn)編碼號?，F(xiàn)場實(shí)踐證明，智能機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識別出各個巡視路徑節(jié)點(diǎn)編碼，進(jìn)行全路線規(guī)劃后，實(shí)現(xiàn)對自主視覺定位[4]。但缺點(diǎn)是由于長期暴曬在場地設(shè)備區(qū)域，易老化受損，造成某些區(qū)域無法識別的現(xiàn)象。

當(dāng)然，其他對圖像邊緣銳化處理主要是加強(qiáng)圖像中的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)，形成完整的物體邊界，達(dá)到將物體從圖像中分離出來或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。它是早期視覺理論和算法中的基本問題，也是中期和后期視覺成敗的重要因素之一。圖像分割是將圖像分成若干部分，每一部分對應(yīng)于某一物體表面，在進(jìn)行分割時(shí)，每一部分的灰度或紋理符合某一種均勻測度度量,其本質(zhì)是將像素進(jìn)行分類。分類的依據(jù)是像素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特性等。圖像分割是圖像處理技術(shù)的基本方法之一，應(yīng)用于諸如染色體分類、景物理解系統(tǒng)[5]。圖像分割主要有兩種方法：一是鑒于度量空間的灰度閾值分割法。它是根據(jù)圖像灰度直方圖來決定圖像空間域像素聚類。但它只利用了圖像灰度特征，并沒有利用圖像中的其它有用信息，使得分割結(jié)果對噪聲十分敏感。二是空間域區(qū)域增長分割方法。它是對在某種意義上(如灰度級、組織、梯度等)具有相似性質(zhì)的像素連通集構(gòu)成分割區(qū)域，該方法有很好的分割效果，但缺點(diǎn)是運(yùn)算復(fù)雜，處理速度慢。其它方法如邊緣追蹤法，主要著眼于保持邊緣性質(zhì)，跟蹤邊緣并形成閉合輪廓，將目標(biāo)分割出來；錐體圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法和標(biāo)記松弛迭代法同樣是利用像素空間分布關(guān)系，將邊鄰的像素作合理的歸并；機(jī)器視覺軟件基于知識的分割方法則是利用景物的先驗(yàn)信息和統(tǒng)計(jì)特性，首先對圖像進(jìn)行初始分割，抽取區(qū)域特征，然后利用領(lǐng)域知識推導(dǎo)區(qū)域的解釋，最后根據(jù)解釋對區(qū)域進(jìn)行合并[6]。但缺點(diǎn)是特征量提取圖形特征量較多、計(jì)算量較大，在夜間存在無法識別問題。

目前導(dǎo)航中，大多數(shù)機(jī)器人采用激光導(dǎo)航識別，相對成熟穩(wěn)定，但激光識別技術(shù)在近似物體上面也存在一些缺點(diǎn)，易無法識別該區(qū)域(比如500 kV場地曾出現(xiàn)巡檢機(jī)器人無法識別問題)。

建議采用至少兩種以上互補(bǔ)的識別方法，在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航方式應(yīng)用中能夠交替使用，同時(shí)放置專家識別系統(tǒng)，在發(fā)生不一致情況下，能夠準(zhǔn)確依據(jù)歷史和經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，實(shí)現(xiàn)真正的視覺導(dǎo)航智能化。

2全局路徑規(guī)劃能力

智能機(jī)器人變電站巡檢過程中，需要在坐標(biāo)中尋找一條經(jīng)過所有選定標(biāo)注停靠點(diǎn)，這些停靠點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)定一點(diǎn)是最短路徑[7]。智能機(jī)器人路徑規(guī)劃最終表現(xiàn)為兩種機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃：智能巡檢機(jī)器人所有自由度可獨(dú)立變化的完整運(yùn)動規(guī)劃和考慮智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)非完整約束的非完整運(yùn)行規(guī)劃能力。而變電站巡檢機(jī)器人全局最優(yōu)化路徑規(guī)劃是一種非完整運(yùn)動規(guī)劃，需要對智能巡檢機(jī)器人信號傳輸接口提高當(dāng)前點(diǎn),以及機(jī)器人必須經(jīng)過的?？奎c(diǎn)地理位置坐標(biāo),以保證每個停靠點(diǎn)都會巡視到，我們稱為定點(diǎn)巡視點(diǎn)，完成巡視任務(wù)。智能機(jī)器人全局路徑規(guī)劃能力為最優(yōu)化巡視路徑，后臺程序需要經(jīng)過訪問數(shù)據(jù)庫，獲取相關(guān)的巡視數(shù)據(jù)，初始化巡視路徑，此時(shí)輸入起始點(diǎn)及?？奎c(diǎn)，經(jīng)過后臺算法模型(Dijkstra算法)得出最短、最優(yōu)化的巡視路徑，輸出路徑或者路徑不存在可能，從而完成后臺巡視任務(wù)設(shè)置[8]。

系統(tǒng)流程如圖1所示。

3自主讓行實(shí)現(xiàn)

智能巡檢機(jī)器人提出了自主讓行。該功能是運(yùn)維人員在機(jī)器人后臺下發(fā)巡檢任務(wù)前，開啟自主讓行功能，后臺系統(tǒng)會自動提示運(yùn)維人員選擇需要讓行的區(qū)域，此時(shí)，運(yùn)維人員只需要在二維地圖中選中正在維修的區(qū)域，智能巡檢機(jī)器人將重新規(guī)劃巡檢路線，開始進(jìn)行巡檢[9]。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2　自主讓行系統(tǒng)流程圖

標(biāo)準(zhǔn)情況下，智能巡檢機(jī)器人正常巡檢路線如圖3所示。

圖3智能巡檢機(jī)器人正常巡檢路線

當(dāng)變電站中出現(xiàn)施工地段后，系統(tǒng)將開啟自主讓行功能，當(dāng)智能巡檢機(jī)器人確定需要讓行區(qū)域后，將重新規(guī)劃巡檢路線，繞過正在檢修的區(qū)域，從而達(dá)到自主讓行完成全站巡檢的目的[10]。開啟智能巡檢機(jī)器人施工讓行路徑如圖4所示。

圖4智能巡檢機(jī)器人施工讓行圖

4結(jié)語

智能機(jī)器人在巡檢過程中適應(yīng)后臺人工任務(wù)調(diào)度及現(xiàn)場檢修的自主路徑規(guī)劃技術(shù)，解決了由于人工臨時(shí)干預(yù)巡檢線路而導(dǎo)致機(jī)器人使用不連續(xù)、無法完成既定任務(wù)的問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)完善巡檢任務(wù)能力以及不斷提升智能適應(yīng)運(yùn)維人員的應(yīng)用需求，自主讓行功能在能夠滿足變電站各項(xiàng)檢修作業(yè)情況下，實(shí)現(xiàn)變電站全年無間斷巡檢任務(wù)的開展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑤，陳阿蓮，李向東，等.變電站智能巡檢機(jī)器人全局路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].山東科學(xué),2015(1):118-123.

[2]厲廣偉，夏英杰，王寧，等.機(jī)器人視覺導(dǎo)航路徑節(jié)點(diǎn)的編碼與識別[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，29(4):22-28.

[3]付小平.變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014(21):158-159.

[4]趙坤，趙書濤.變電站能巡檢機(jī)器人視覺導(dǎo)航算法的研究[J].北塔軟件，2014,12(1)：38-41.

[5]孫國凱，韓剛.變電站巡檢方式對比及其智能機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與應(yīng)用，2008(7):92-94.

[6]山東電力研究院.變電站設(shè)備巡檢智能移動機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(3)：36-37.

[7]康亮.自主移動機(jī)器人運(yùn)行規(guī)劃的若干算法研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2010.

[8]魯守飲，錢慶林，張斌.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2006,30(13)：94-98.

[9]陳瑤，陳阿蓮,李向東，等.變電站智能巡檢機(jī)器人全局路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].山東科學(xué),2015,28(1):114-119.

[10]王志明.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

Intelligent patrol robot scheduling and route planning capability

XU Bo,WANG Jinsheng,XU Zhoushi

(National Network of Jiangxi Electric Power Company Maintenance Branch in Jiangxi, Shangrao 334000, China)

Abstract：Robot operation will be interrupted by temporary human intervention during the inspection process, thus is unable to complete the fixed tasks. Here we study the shortest path through all selected mark stops based on full path planning with a model algorithm. The independent-give-way method is used to re-plan the polling route, thus the robot can pass by the maintenance area to finish the total station polling.

Key words：intelligent robot; navigation; full path; independent to give way.

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：徐波(1978-)，男，漢族，江西鷹潭人，國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化方向研究,E-mail:136300202@163.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.12

中圖分類號：TN 8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0269-04