電力機(jī)器人的自主導(dǎo)航與視覺輔助定位融合方法

謝曉娜，劉 曦2，常政威2，彭 倩2，許 碩

(1.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川 成都 610025；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

中國(guó)大力推進(jìn)“科技興安”戰(zhàn)略，在重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”，大力提高企業(yè)安全生產(chǎn)科技保障能力。在電力行業(yè)，變電站巡檢機(jī)器人[1-2]、地下電纜巡檢機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人覆蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等各環(huán)節(jié)，代替人工巡視、操作，發(fā)揮日益重要的安全保障作用。

導(dǎo)航是機(jī)器人在工作過程中要解決的最重要問題之一，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化和完全自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)[3]。變電站等場(chǎng)所的電力機(jī)器人導(dǎo)航方式，經(jīng)歷了巡線、軌道和全場(chǎng)定位等[4]。此外，基于視覺的導(dǎo)航方式[5]，是通過攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的監(jiān)控與識(shí)別，指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)定位和導(dǎo)航。但僅依靠視覺定位導(dǎo)航是無法滿足電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下的要求，與其他導(dǎo)航方式相融合是一個(gè)新的研究方向[6]。

目前，基于激光傳感器即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)的定位和導(dǎo)航方式[7]是變電站巡檢機(jī)器人主要采用的技術(shù)。SLAM不需要依靠應(yīng)用場(chǎng)所的輔助物，機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、掉頭環(huán)節(jié)穩(wěn)定可靠。但對(duì)于電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下，機(jī)器人需要準(zhǔn)確到達(dá)任務(wù)位置，并準(zhǔn)確巡視預(yù)置位圖像以識(shí)別故障或安全隱患時(shí)，僅靠激光SLAM全場(chǎng)定位方式，可能導(dǎo)致定位不滿足要求，迫切需要研究新的多數(shù)據(jù)融合機(jī)器人導(dǎo)航方式。

為了改進(jìn)變電站、高電壓實(shí)驗(yàn)室等電力作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人定位精度，提出了一種自主導(dǎo)航與視覺輔助定位融合方法，在基于激光SLAM的自主導(dǎo)航基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人位置和視覺角度進(jìn)行再次校準(zhǔn)，使其能夠準(zhǔn)確獲得預(yù)置位圖像。在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用結(jié)果表明，所提方法定位精度可達(dá)到1 cm。

1 問題簡(jiǎn)介

以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配電變壓器試驗(yàn)過程中的安全巡檢為例，電力機(jī)器人可在試驗(yàn)作業(yè)過程中，自主導(dǎo)航到達(dá)不同的預(yù)設(shè)位置，實(shí)時(shí)對(duì)典型安全風(fēng)險(xiǎn)、不安全行為進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和預(yù)警提醒，如表1所示。

表1 機(jī)器人巡檢要點(diǎn)

在每個(gè)巡檢步驟中，機(jī)器人必須準(zhǔn)確導(dǎo)航到已設(shè)定的最優(yōu)位置，才能保證準(zhǔn)確拍攝和識(shí)別圖像。以溫升試驗(yàn)階段巡檢為例，如圖1所示，只有準(zhǔn)確定位后并完整拍攝圍欄內(nèi)區(qū)域，才能有效開展巡檢圖像分析，對(duì)人員誤闖入、設(shè)備接線空間位置變化、冒煙等異常及時(shí)警示和報(bào)告。如果定位不準(zhǔn)確，則可能拍攝的視頻圖像不完整、存在較大偏差，無法正確執(zhí)行巡檢任務(wù)。

圖1 溫升試驗(yàn)階段巡檢監(jiān)視圖像

2 視覺輔助定位方法

2.1 激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位融合

結(jié)合現(xiàn)有的機(jī)器人架構(gòu)，提出一種基于激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位相結(jié)合的方法，整個(gè)流程如圖2所示。

圖2 激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位

在部署環(huán)節(jié)，機(jī)器人通過激光傳感器掃描，采用預(yù)建地圖的方式，將地圖存放于機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，結(jié)合具體巡視任務(wù)，將機(jī)器人對(duì)應(yīng)的?？慷ㄎ弧⑴臄z的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)置位圖像模板保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在根據(jù)接收到的巡檢任務(wù)自主導(dǎo)航時(shí)，機(jī)器人根據(jù)所采樣的信息，通過概率統(tǒng)計(jì)方式匹配地圖中的位置，計(jì)算導(dǎo)航路徑。同時(shí)，采用電子陀螺儀等輔助傳感系統(tǒng)來定位和輔助機(jī)器人調(diào)控運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到激光SLAM導(dǎo)航的目的。

機(jī)器人到達(dá)指定位置后，精度可能不滿足特定巡視任務(wù)的要求，此時(shí)視覺定位模塊通過對(duì)攝像頭圖像以及查詢數(shù)據(jù)庫(kù)得到的預(yù)置位圖像模板進(jìn)行分析處理，并對(duì)應(yīng)調(diào)整機(jī)器人位置等，直到精度滿足要求為止。

機(jī)器人準(zhǔn)確定位后，利用可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)執(zhí)行在該預(yù)置位的巡檢任務(wù)。然后，依次導(dǎo)航到其他位置并再次校準(zhǔn)，執(zhí)行每個(gè)預(yù)置位的巡檢任務(wù)，直到完成所有的任務(wù)才回到充電位置，導(dǎo)航結(jié)束。

由此可知，與單一的激光導(dǎo)航方式不同，所提方法在部署環(huán)節(jié)即建立了預(yù)置位對(duì)應(yīng)的圖像模板庫(kù)，作為視覺定位環(huán)節(jié)的校準(zhǔn)圖像依據(jù)。在巡檢過程中，實(shí)現(xiàn)激光SLAM導(dǎo)航與視覺輔助定位的實(shí)時(shí)融合。

2.2 基于視覺圖像的定位校準(zhǔn)

機(jī)器人能夠準(zhǔn)確執(zhí)行任務(wù)的前提是它可以精確導(dǎo)航并停靠在定位處，然而當(dāng)由于環(huán)境的特殊性、機(jī)器人的誤差等原因而導(dǎo)致無法滿足定位要求時(shí)，提出采用一種基于視覺圖像的定位校準(zhǔn)算法，以減少定位誤差和改進(jìn)精度，其主要步驟如圖3所示。

圖3 基于視覺圖像的定位校準(zhǔn)流程

首先，機(jī)器人讀取在當(dāng)前位置采集到的視頻圖像，提取圖像的輪廓定位，并和已保存的該預(yù)置位圖像模板比對(duì)，使用基于哈希(Hash)的圖像匹配算法[8]判別兩幅圖像的相似度。

計(jì)算機(jī)器人位置偏差的前提，是計(jì)算像素與實(shí)際距離比例。圖4[9-10]為攝像機(jī)成像模型：(xc,Oc，yc)表示攝像機(jī)坐標(biāo)系；原點(diǎn)Oc為攝像機(jī)中心的位置；平面π為成像平面；m為攝像目標(biāo)物體，其映射在π上得到點(diǎn)m′。顯然，可知：

(1)

式中，p為實(shí)際坐標(biāo)與像素坐標(biāo)的比例關(guān)系。

考慮機(jī)器人攝像機(jī)當(dāng)前圖像和預(yù)置位圖像模板中，機(jī)器人與目標(biāo)物體的垂直距離基本相同。根據(jù)前面計(jì)算得到的圖像輪廓，計(jì)算當(dāng)前圖像中窗體中心的坐標(biāo)值(x′,y′)，而圖像模板窗體中心在其坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值記為(x,y)，計(jì)算得到機(jī)器人的位置偏差：

Δd≈p·(x′-x)

(2)

根據(jù)Δd與機(jī)器人允許的最大誤差值相比，如不滿足要求，則機(jī)器人據(jù)此重新定位。

圖4 攝像機(jī)成像模型

3 視覺輔助定位方法的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用環(huán)境及測(cè)試方法

如圖5所示，為了驗(yàn)證所提視覺定位方法的精度，在某配電變壓器實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位性能測(cè)試，圖中左下角為工作中的機(jī)器人。由于在試驗(yàn)準(zhǔn)備及進(jìn)行過程中，存在叉車搬運(yùn)、人員進(jìn)入圍欄區(qū)域等行為步驟，如機(jī)器人的定位和導(dǎo)航精度不高，可能會(huì)導(dǎo)致誤碰撞或巡視結(jié)果不準(zhǔn)確等后果。

圖5 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

機(jī)器人基于激光SLAM構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室地圖如圖6所示。

圖6 機(jī)器人構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室地圖

測(cè)試方法為：配置機(jī)器人預(yù)置點(diǎn)位，通過自主導(dǎo)航的方式讓機(jī)器人前往不同的預(yù)置點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量機(jī)器人定位誤差和角度誤差。首先在實(shí)驗(yàn)室配置了11個(gè)點(diǎn)位，如表2所示。然后，基于激光SLAM定位方法對(duì)11個(gè)點(diǎn)位分別執(zhí)行5次定位。經(jīng)測(cè)量，最大定位誤差在5 cm范圍內(nèi)。

表2 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)配置點(diǎn)位

3.2 視覺輔助定位精度試驗(yàn)

基于激光SLAM與視覺融合定位，進(jìn)行第1組定位試驗(yàn)，分別記錄定位誤差，如表3所示。

表3 第1組定位誤差

可以看出，最大的X偏差、Y偏差分別約為0.49 cm、0.16 cm，即最大定位誤差為0.49 cm；最大角度偏差約為0.92°。

按照該方式進(jìn)行多組定位測(cè)量，第2至第5組結(jié)果如表4所示。

表4 第2至第5組定位誤差

然后，選定一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)20次定位測(cè)量，計(jì)算定位誤差和角度誤差，如表5所示?？梢钥闯?，最大定位誤差為第11次的Y偏差0.75 cm。

表5 同一定位點(diǎn)測(cè)量

綜上，所提視覺輔助定位方法的定位精度小于±1 cm、角度精度小于±1°。與激光SLAM定位方法相比，定位精度提高了80%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，滿足了配電變壓器檢測(cè)試驗(yàn)的機(jī)器人巡視要求。

4 結(jié) 語

針對(duì)定位精度要求高的電力作業(yè)環(huán)境，提出了一種自主導(dǎo)航與視覺輔助定位融合方法。在激光SLAM導(dǎo)航基礎(chǔ)上，通過機(jī)器人實(shí)時(shí)采集圖像與預(yù)置位圖像模板的比對(duì)分析，得到機(jī)器人定位誤差，從而完成機(jī)器人定位校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用結(jié)果表明，通過SLAM算法與視覺定位方法的融合，能夠有效提高機(jī)器人定位精度。

下一步的工作，是進(jìn)一步研究如何結(jié)合視覺圖像的識(shí)別結(jié)果，提升電力機(jī)器人對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下障礙物的判別能力和導(dǎo)航有效性。