RTK-GNSS 融合輪速計(jì)定位在電力機(jī)器人的應(yīng)用

程敏 劉文博 羅作煌

(億嘉和科技股份有限公司，南京，210000)

0 引言

在人工智能技術(shù)的高速發(fā)展下，使用可操控機(jī)器人代替人工或輔助人工完成電力作業(yè)的需求量，正逐年呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，通過(guò)開(kāi)發(fā)電力機(jī)器人，可以在電力作業(yè)或電力線路巡檢過(guò)程中，將一些具有危險(xiǎn)性的作業(yè)任務(wù)交由電力機(jī)器人完成。因此，開(kāi)發(fā)智能化的電力機(jī)器人成為智能化領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)[1-3]。

在電力機(jī)器人的應(yīng)用中，涉及定位、導(dǎo)航、控制等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，而在針對(duì)定位方面的研究，相關(guān)技術(shù)單位在早年便投入了大量人力與物力，并嘗試在開(kāi)發(fā)電力機(jī)器人時(shí)，引進(jìn)多種定位方法，保證機(jī)器人的正常作業(yè)。近年來(lái)，隨著北斗系統(tǒng)組網(wǎng)，RTK-GNSS 技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，相關(guān)研究單位也就RTK-GNSS 在電力環(huán)境中的應(yīng)用做了大量的探索和研究[4-6]，并得到了一系列成果。

目前，電力環(huán)境中局部區(qū)域的電磁干擾對(duì)于GNSS設(shè)備的觀測(cè)信號(hào)有一些影響，造成在某些電磁干擾較嚴(yán)重的區(qū)域GNSS 設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)下降甚至丟失的情況，進(jìn)而造成電力機(jī)器人在部分區(qū)域作業(yè)困難甚至無(wú)法作業(yè)，阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在電力機(jī)器人中的應(yīng)用。對(duì)此，本文在早期開(kāi)發(fā)與研究的成果上，引進(jìn)一種RTK-GNSS 設(shè)備與輪速計(jì)融合定位方法，補(bǔ)償電力機(jī)器人在局部環(huán)境中因電磁干擾帶來(lái)的定位不穩(wěn)定問(wèn)題，更好地發(fā)揮電力機(jī)器人投入使用后的作用。

1 RTK-GNSS 與輪速計(jì)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于輪速計(jì)的里程計(jì)設(shè)計(jì)

輪速計(jì)只能夠提供輪速信息，因此無(wú)法與RTKGNSS 系統(tǒng)給出的全局定位信息進(jìn)行直接融合，因此，需要使用輪速計(jì)的底層信息結(jié)合運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)一個(gè)里程計(jì)，如公式（1）所示：

單車模型是應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人中非常常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)模型[8]，為了使里程計(jì)更加精確，在本次研究中，考慮到角速度的影響，在單次移動(dòng)過(guò)程中，只考慮二維場(chǎng)景，則，即二維坐標(biāo)和朝向，于是有：

以機(jī)器人上電位置為原點(diǎn)，結(jié)合以上遞歸方程，即可得到基于輪速計(jì)的里程計(jì)。

1.2 RTK-GNSS 與輪速里程計(jì)輸出狀態(tài)處理

RTK-GNSS 設(shè)備可以提供全局定位信息，其直接提供經(jīng)緯度信息用于定位，在實(shí)際應(yīng)用于機(jī)器人定位時(shí)，一般會(huì)將該經(jīng)緯度信息投影到一個(gè)局部笛卡爾坐標(biāo)系[9]：

一般可以認(rèn)為GNSS 設(shè)備給出的定位信息符合一個(gè)高斯分布[10]，即：

GNSS 設(shè)備一般采用整周雙差解算算法[11]，需要同時(shí)接收基站和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在通信不流暢或者信號(hào)受干擾時(shí)，會(huì)使得定位數(shù)據(jù)噪聲大幅增加，即公式（5）中的大幅增加，從而使定位出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至直接導(dǎo)致解算結(jié)果無(wú)法收斂。特別是在實(shí)際應(yīng)用電力機(jī)器人時(shí)，由于電力環(huán)境復(fù)雜的電磁干擾，各種干擾疊加，可能在局部區(qū)域影響較強(qiáng)。

輪速里程計(jì)可以幫助機(jī)器人穩(wěn)定定位信息，在融合過(guò)程中，首先需要統(tǒng)一GNSS 輸出信息與輪速里程計(jì)輸出信息的坐標(biāo)系，由于輪速里程計(jì)得到的機(jī)器人位姿是相對(duì)于其初始位姿的，因此，需要將里程計(jì)狀態(tài)通過(guò)一個(gè)投影函數(shù)映射到GNSS 所在的局部笛卡爾坐標(biāo)系：

求解該問(wèn)題則可以得到R和t，從而能夠?qū)⒗锍逃?jì)輸出映射到GNSS 所在的局部笛卡爾坐標(biāo)系。

機(jī)器人在行駛過(guò)程中，容易出現(xiàn)顛簸、打滑的現(xiàn)象，但輪速里程計(jì)的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，因此，可以認(rèn)為輪速里程計(jì)通過(guò)投影得到的輸出同樣符合高斯分布，于是有：

與GNSS 輸出狀態(tài)不同的是，輪速里程計(jì)的噪聲在每次進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊后，會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加。

1.3 卡爾曼濾波融合設(shè)計(jì)

將GNSS 設(shè)備輸出與輪速計(jì)輸出進(jìn)行初步的預(yù)處理后，得到對(duì)應(yīng)的兩個(gè)高斯分布。

卡爾曼濾波器[12-13]被廣泛應(yīng)用于多個(gè)高斯信號(hào)的融合過(guò)程中，因此這里采用卡爾曼濾波器與上述兩個(gè)高斯分布進(jìn)行融合：

根據(jù)卡爾曼濾波的原理，融合后的狀態(tài)噪聲小于任一輸入狀態(tài)噪聲。當(dāng)GNSS 設(shè)備出現(xiàn)受干擾情況時(shí)，輪速里程計(jì)在短時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生突變，其噪聲只會(huì)逐漸放大；當(dāng)GNSS 設(shè)備輸出變好時(shí)，濾波器輸出噪聲會(huì)再次被修正到一個(gè)合理的范圍，從而使得整個(gè)濾波器最終的輸出保持穩(wěn)定。

綜上所述，完成一個(gè)RTK-GNSS 與輪速計(jì)的設(shè)計(jì)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

為了證明本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于電力機(jī)器人的RTKGNSS 與輪速計(jì)融合定位方法，在電力線路巡檢作業(yè)中具有實(shí)質(zhì)性的作用，在完成此次研究后，筆者采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)研究的成果進(jìn)行驗(yàn)證。

在此過(guò)程中，選擇某220kV 變電站作為此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)場(chǎng)所，根據(jù)變電站的環(huán)境特征，搭建一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用電力機(jī)器人，同時(shí)搭載RTK-GNSS 設(shè)備進(jìn)行固定路線行走，行走路線涉及變電站多個(gè)典型電磁干擾復(fù)雜的場(chǎng)景。測(cè)試機(jī)器人如圖1 所示。

圖1 測(cè)試用移動(dòng)機(jī)器人

在完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建后，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)搭建的電力機(jī)器人進(jìn)行初始化。

為了確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電路線路的運(yùn)行不受到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾，設(shè)定電力機(jī)器人的最高運(yùn)動(dòng)速度為1m/s、最低運(yùn)動(dòng)速度為0m/s，平均運(yùn)動(dòng)速度為0.5m/s。在電力機(jī)器人頂端云臺(tái)上安裝GNSS 天線，天線的接收信號(hào)范圍為一個(gè)120.0°的錐形，確保天線不會(huì)受到機(jī)器人本體的遮擋和干擾；將GNSS 設(shè)備安裝于機(jī)器人本體中部，通過(guò)串口與機(jī)器人本體工控機(jī)設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。

在完成對(duì)接后，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行空曠環(huán)境下的定位和通信測(cè)試，確保在非干擾環(huán)境下定位正常。測(cè)試時(shí)間為1.0min，確保GNSS 設(shè)備以設(shè)定的10Hz 向工控機(jī)設(shè)備反饋狀態(tài)，此時(shí)即可認(rèn)為兩端通信狀態(tài)良好；觀察定位狀態(tài)良好；同時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)保存程序，保證數(shù)據(jù)保存功能正常。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將GNSS 設(shè)備輸出定位信息只做局部笛卡爾坐標(biāo)系投影的數(shù)據(jù)作為參照數(shù)據(jù)，將本文提出的方法處理后的最終定位輸出數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄兩份數(shù)據(jù)，離線進(jìn)行軌跡的繪制和對(duì)齊，分析兩條軌跡與機(jī)器人巡檢路徑的差異；同時(shí)，選定軌跡上部分固定點(diǎn)位做重復(fù)定位測(cè)試，即將機(jī)器人按預(yù)設(shè)軌跡重復(fù)行駛n圈，每次機(jī)器人到達(dá)某固定位置時(shí)，記錄該位置上定位輸出數(shù)據(jù)，記為，i表示第i次記錄的坐標(biāo)值，按公式（12）計(jì)算定位誤差：

將該誤差作為評(píng)估本文方法的依據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)設(shè)線路布局及選取固定點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 預(yù)設(shè)線路布局示意圖

按照順時(shí)針線路方向操作機(jī)器人沿兩條路徑行駛，得到兩份不同的數(shù)據(jù)，其對(duì)比軌跡圖如圖3 所示。

圖3 巡檢軌跡對(duì)比

將固定點(diǎn)重復(fù)定位誤差進(jìn)行整理，如表1 所示。

表1 重復(fù)定位誤差

綜合圖3 與表1 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法在電力機(jī)器人巡檢過(guò)程中，記錄的定位數(shù)據(jù)繪制的軌跡與設(shè)定路線基本保持一致，在所有固定點(diǎn)的平均重復(fù)定位誤差為3.9cm，且在所有點(diǎn)的定位誤差分布較為平均。而單一GNSS 設(shè)備在為電力機(jī)器人提供定位信息時(shí)，由于行駛路徑中存在部分電磁干擾嚴(yán)重的區(qū)域，在最終繪制的軌跡中可以看出，在經(jīng)過(guò)B 點(diǎn)所在區(qū)域時(shí)，機(jī)器人的軌跡出現(xiàn)了明顯扭曲，與真實(shí)路徑不符，此外，在該區(qū)域進(jìn)行重復(fù)定位測(cè)試，誤差為82cm，所有固定點(diǎn)的平均重復(fù)定位誤差為18.517cm。綜合上述實(shí)驗(yàn)，得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相比單一GNSS 設(shè)備定位方法，本文設(shè)計(jì)的RTK-GNSS 設(shè)備與輪速計(jì)融合定位方法，可在實(shí)際應(yīng)用中為機(jī)器人提供更穩(wěn)定的定位信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種RTK-GNSS 設(shè)備與輪速計(jì)融合定位方法，并在完成設(shè)計(jì)后，選擇某220kV 變電站作為此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)場(chǎng)所，使定制的測(cè)試用電力機(jī)器人在設(shè)定存在強(qiáng)電磁干擾路徑上行走，將單一GNSS 設(shè)備輸出并投影的定位信息、使用本文設(shè)計(jì)的方法得到的定位數(shù)據(jù)與真實(shí)軌跡進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)實(shí)踐后，證明本文設(shè)計(jì)的融合定位方法，可在實(shí)際應(yīng)用中，提供比單一GNSS 設(shè)備提供的定位信息更穩(wěn)定的定位，其軌跡與真實(shí)軌跡重合度更高，平均重復(fù)定位誤差約為3.9cm。

然而，盡管此次實(shí)驗(yàn)證明了本文方法的優(yōu)越性，但考慮到此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量不足，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程可能存在偶然性，因此，仍需要在后期的研究中，選擇多個(gè)變電站作為實(shí)踐檢驗(yàn)試點(diǎn)場(chǎng)所，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，以證明本文設(shè)計(jì)的定位方法真實(shí)有效。