變電站巡視機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述

馬思懿 黃琳 胡昉 李晶 徐超

【摘要】服務(wù)機(jī)器人是國家十二五計(jì)劃規(guī)劃的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，變電站巡視機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)在電力行業(yè)最早的應(yīng)用。通過安裝特定傳感器的移動(dòng)機(jī)器人定期對變電站進(jìn)行巡視并對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，是提高工作效率和質(zhì)量，達(dá)到減員增效的理想方案。另外，為移動(dòng)機(jī)器人安裝機(jī)械臂等設(shè)備，還能使機(jī)器人具備一定的操作能力。本文主要介紹了變電站巡視機(jī)器人的動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)、定位及監(jiān)測傳感器模塊。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；變電站；巡視；計(jì)算機(jī)視覺

引言

變電站巡視機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)在電力行業(yè)最早的應(yīng)用。變電站設(shè)備繁多，分布極為分散，為實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，如果通過給各類設(shè)備都安裝攝像頭或相應(yīng)傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，極為浪費(fèi)且數(shù)據(jù)量巨大。通過安裝特定傳感器的移動(dòng)機(jī)器人定期對變電站進(jìn)行巡視并對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，是提高工作效率和質(zhì)量，達(dá)到減員增效的理想方案。另外，為移動(dòng)機(jī)器人安裝機(jī)械臂等設(shè)備，還能使機(jī)器人具備一定的操作能力。因此，國家863計(jì)劃在2002年就已支持山東電力研究院魯能智能公司魯守銀等人對變電站巡視機(jī)器人的研究。變電站巡視機(jī)器人是地面移動(dòng)機(jī)器人的一種，一般具備動(dòng)力模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、定位模塊、避障模塊、規(guī)劃模塊、監(jiān)測傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等。本文下面主要介紹其中的動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)、定位及監(jiān)測傳感器模塊。

1、動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)模塊

動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)模塊是移動(dòng)機(jī)器人行動(dòng)的基礎(chǔ)。巡視機(jī)器人平臺能夠穩(wěn)定有效的執(zhí)行任務(wù)依賴于可靠的機(jī)械底盤、穩(wěn)定高效的底層電路以及完成特定任務(wù)的上層算法，其中底層驅(qū)動(dòng)電路是軟硬件連接的關(guān)鍵紐帶，應(yīng)該能夠?yàn)槎嘣磦鞲衅魈峁┓奖愕慕涌?，包括高效的硬件通信協(xié)議和中斷服務(wù)；此外，底層電路需要配置具有一定運(yùn)算能力的處理器，處理實(shí)時(shí)性要求比較高的傳感器數(shù)據(jù)比如慣導(dǎo)數(shù)據(jù)；其次，智能的、可靠性高的電源管理模塊也需要被設(shè)計(jì)來保障系統(tǒng)流暢的運(yùn)行。

2、定位模塊

機(jī)器人的定位模塊則相對復(fù)雜，涉及多種定位方式，包括里程計(jì)定位、慣性定位、衛(wèi)星定位、視覺定位、無線電定位等。里程計(jì)定位是指記錄驅(qū)動(dòng)平臺運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，推測平臺運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，這類方法較為簡單直接，適用于簡單環(huán)境下的小型運(yùn)動(dòng)平臺，對于巡視機(jī)器人不適用。衛(wèi)星定位是指利用GPS或北斗衛(wèi)星對機(jī)器人進(jìn)行定位，這類方法精度通常難以達(dá)到要求（米級），如果利用差分定位方法，精度較高，但計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，適用性也不高。因此，對于巡視機(jī)器人，一般采用視覺、慣導(dǎo)及無線電定位等方式。

2.1 視覺定位。視覺定位又分主動(dòng)定位與被動(dòng)定位兩種。主動(dòng)定位是指在特定環(huán)境中，設(shè)定可見的地標(biāo)或?qū)Ш骄€等標(biāo)志物，讓機(jī)器人通過攝像機(jī)識別這些標(biāo)志物對自身進(jìn)行定位，介紹了一種利用攝像頭拍攝的圖像，通過分割算法自動(dòng)識別地面導(dǎo)航線的變電站機(jī)器人定位方式。然而，這類視覺定位方式雖然簡單，但是過于定位標(biāo)志物要求極高，安裝復(fù)雜且成本高，如果環(huán)境發(fā)生變化，例如標(biāo)志物被污染，就無法進(jìn)行定位了。因此，可以使用基于立體視覺的被動(dòng)定位技術(shù)。在室內(nèi)、地下、行星探測等復(fù)雜環(huán)境下，一般的基于外部信號的導(dǎo)航定位方式（例如GPS、無線電基站等）都不適用。機(jī)器人在行駛過程中，由于輪子打滑（地面太滑、存在坑洼、崎嶇等）會造成輪式里程計(jì)（輪子轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)形成的定位數(shù)據(jù)）產(chǎn)生較為嚴(yán)重的偏差。利用雙目相機(jī)拍攝視頻序列，匹配獲得相鄰兩幀的左右相機(jī)拍攝圖像的同名點(diǎn)，然后利用雙目相機(jī)的成像幾何關(guān)系，獲得相鄰兩幀之間同名點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過求解三維坐標(biāo)的變換關(guān)系可以反演出相機(jī)在這兩幀之間的位移與旋轉(zhuǎn)，有效解決當(dāng)外部導(dǎo)航信號不可用時(shí)的機(jī)器人定位與導(dǎo)航問題。

通過獲得每兩幀之間相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移變化參數(shù)，即可獲得相機(jī)的實(shí)時(shí)位姿參數(shù)，通過設(shè)定初始的相機(jī)位姿，將每兩個(gè)時(shí)刻之間的相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移采用Kalman濾波連接起來即可得到相機(jī)的視覺里程計(jì)。這個(gè)過程是可以實(shí)時(shí)完成的，所以通過雙目相機(jī)即可完成機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位。

2.2 基于慣性測量單元（IMU）的定位。慣性測量單元是基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律而制作出來的感應(yīng)物體相對于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移的測量期間。軸慣性測量單元（IMU）可以感應(yīng)物體在空間的旋轉(zhuǎn)與平移，通過慣性器件的機(jī)械編排對物體在三維空間的平移和旋轉(zhuǎn)做出估計(jì)慣性傳感器的輸出不依賴外界環(huán)境，具有高可靠性，并且數(shù)據(jù)輸出率高，經(jīng)過精心處理的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)可以高動(dòng)態(tài)的反映物體在慣性空間的運(yùn)動(dòng)，因此被廣泛應(yīng)用于自主定位。

2.3 融合多源信息的自主定位。基于慣導(dǎo)的自主定位具有速度快，且能在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持較高精度，但是隨著時(shí)間的漂移，由于陀螺和加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移噪聲，使得相對定位精度急劇下降。目前基于立體視覺的自主定位雖然有很高的精度，但是由于算法復(fù)雜和硬件限制，數(shù)據(jù)輸出率低，無法保證動(dòng)態(tài)性，并且存在相對定位漂移發(fā)散的問題。基于導(dǎo)航標(biāo)志或地圖匹配的數(shù)據(jù)庫匹配的方法可以給出機(jī)器平臺的絕對位置，但是算法復(fù)雜，并且需要構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，因此只能給出數(shù)目有限的控制點(diǎn)。綜合上述不同定位策略的優(yōu)劣，需要做組合定位，融合多源傳感器數(shù)據(jù)，使最終的定位精度和速度滿足工程的需求。目前移動(dòng)機(jī)器人平臺領(lǐng)域采用的多傳感器融合方法主要包括：加權(quán)平均法、Kalman濾波、擴(kuò)展Kalman濾波、Bayes估計(jì)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于行為方法和基于規(guī)則方法。其中應(yīng)用最為廣泛的是Kalman濾波及其擴(kuò)展濾波?？柭鼮V波算法用于動(dòng)態(tài)的低層次冗余傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)融合。該方法用測量模型的統(tǒng)計(jì)特性來遞推決定在統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)的融合數(shù)據(jù)估計(jì)。若系統(tǒng)具有線性動(dòng)力學(xué)模型，并且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲是符合高斯分布的白噪聲，則卡爾曼濾波為融合數(shù)據(jù)提供唯一的統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)。這種方法的遞推特性使其計(jì)算速度快，并且不需要過多的存儲空間?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，卡爾曼濾波的計(jì)算要求與復(fù)雜性已經(jīng)不再阻礙該方法的實(shí)際應(yīng)用。該方法越來越受到人們的青睞，特別是在多傳感器多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)更為顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯守銀，李向東，王宏.DJR-101型變電站設(shè)備巡檢移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)[J].電力信息化，2006，（4）.

[2]魯守銀，蘇建軍.機(jī)器人在變電站設(shè)備巡檢中的應(yīng)用[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，（05）.

[3]魯守銀，錢慶林，張斌，王明瑞，李向東，王宏.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，（13）.

[4]李向東，魯守銀，王宏，管瑞清，安東，厲秉強(qiáng).一種智能巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2005，（06）.