變電站智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航算法改進(jìn)

周啟平，賈 蕾，何 偉，郭俊凱

（1.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230011；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 7100683）

當(dāng)前人工智能技術(shù)正在飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多電力企業(yè)正在大面積推廣智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用于智能變電站、無(wú)人值守變電站等，輔助人工開(kāi)展設(shè)備巡視。巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站全天候、全方位和全自主智能巡檢，有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低變電站運(yùn)維成本，提升正常巡檢作業(yè)和管理的智能化水平。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)兩者優(yōu)勢(shì)并應(yīng)用到變電站巡檢業(yè)務(wù)中，克服數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、實(shí)效性差、人工巡檢效率低下等技術(shù)缺陷，真正做到變電站無(wú)人化值守，讓巡檢工作變得更加智能化[1]。自主導(dǎo)航技術(shù)是保證巡檢機(jī)器人在變電站內(nèi)得以自主且穩(wěn)定行走的關(guān)鍵，導(dǎo)航定位技術(shù)的精度直接決定了智能機(jī)器人在巡檢過(guò)程中能否準(zhǔn)確抵達(dá)巡檢位置并精準(zhǔn)完成巡檢任務(wù)，進(jìn)而保障變電站電力設(shè)備的運(yùn)行安全。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（beidou navigation satellite system, BDS）是我國(guó)自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS 之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年6月23日，隨著北斗三號(hào)收官之星發(fā)射升空，標(biāo)志著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，至此中國(guó)北斗邁進(jìn)全球服務(wù)的新時(shí)代[2]。

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其全球范圍定位精度優(yōu)于10 m，測(cè)速精度優(yōu)于0.2 m/s，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns。BDS系統(tǒng)可以全天候?yàn)橛脩籼峁┛煽康膶?dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)，并可提供最高14000 bit（1000 個(gè)漢字）雙向短報(bào)文通信服務(wù)，有效解決了海域及偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)通信的難題[3]。

BDS 系統(tǒng)具有3 大明顯特點(diǎn)：空間段采用3 種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，擁有較多數(shù)量的高軌衛(wèi)星，能有效地對(duì)抗外界干擾信號(hào)遮擋，特別是在低緯度地區(qū)效果更加顯著；提供多頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)，可通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度；創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，擁有定位導(dǎo)航授時(shí)、地基增強(qiáng)、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、短報(bào)文通信和國(guó)際搜救等多種服務(wù)能力[4]。

1.2 電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度定位、導(dǎo)航、授時(shí)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。用戶通過(guò)高精度接收終端，借助網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線電通信等手段接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心播發(fā)的定位信號(hào)，從而得到高精度定位結(jié)果，定位精度可提升至厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)（后處理）[5]。

電力系統(tǒng)由于其運(yùn)維、檢修、調(diào)度、基建和營(yíng)銷等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)Ω呔仁跁r(shí)和導(dǎo)航定位等有廣泛的需求，而且電力系統(tǒng)由于其自身特性，設(shè)備覆蓋地區(qū)廣，對(duì)信息安全要求高，因此建設(shè)電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)成為電力部門的迫切需求[6]。電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站網(wǎng)、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)綜合處理中心、應(yīng)用終端等構(gòu)成[7]，如圖1 所示。

圖1 電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)

2019年12月，山東省電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)已建成投入使用，并成功應(yīng)用到無(wú)人機(jī)巡檢和基于高精度定位的人員安全管控項(xiàng)目中，標(biāo)志著電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)正式啟用[8]。

2 機(jī)器人常用自主導(dǎo)航技術(shù)

自主導(dǎo)航技術(shù)是變電站巡檢機(jī)器人的“智能化”進(jìn)程中最基礎(chǔ)最核心的底層應(yīng)用技術(shù)。目前，變電站智能巡檢機(jī)器人常用導(dǎo)航方式包括GPS導(dǎo)航、磁軌跡導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等。

2.1 GPS導(dǎo)航

全球定位系統(tǒng)包括空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制網(wǎng)和用戶接收系統(tǒng)3 大部分[9]，GPS 導(dǎo)航應(yīng)用較為廣泛，差分GPS 系統(tǒng)定位精度可達(dá)1～2 cm，但受政治因素影響，其安全性不高，存在隨時(shí)被關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)，且由于高精度GPS定位模塊成本高，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法普及應(yīng)用。

2.2 磁軌跡導(dǎo)航

磁軌跡導(dǎo)航是一種技術(shù)非常成熟的導(dǎo)航方式，通過(guò)預(yù)先在變電站地面鋪設(shè)磁軌道或RFID標(biāo)簽進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在投資成本高、靈活性差，鋪設(shè)工程量大、擴(kuò)建不便等缺點(diǎn)，目前巡檢機(jī)器人導(dǎo)航基本已不采用該方式[10]。

2.3 視覺(jué)導(dǎo)航

巡檢機(jī)器人通過(guò)高性能相機(jī)采集巡檢區(qū)域圖像信息并進(jìn)行數(shù)字化處理并與機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的圖像樣本庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析，從而得到機(jī)器人當(dāng)前所處位置來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位[11]。視覺(jué)導(dǎo)航方式能夠識(shí)別設(shè)備、道路、劃線及障礙物，其成本低、靈活性高，但其計(jì)算量大，對(duì)機(jī)器人硬件要求較高，且受變電站復(fù)雜環(huán)境影響較大，定位精度不高。

2.4 激光雷達(dá)導(dǎo)航

激光雷達(dá)導(dǎo)航是近年來(lái)巡檢機(jī)器人最常用的導(dǎo)航方式，巡檢機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)周圍目標(biāo)進(jìn)行掃描，從而獲取目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)成像處理后，精確生成目標(biāo)物的三維立體圖像。

同步定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)，指機(jī)器人利用傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行求解運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)的定位以及獲取場(chǎng)景地圖信息的系統(tǒng)[12-13]。SLAM系統(tǒng)采用對(duì)不同時(shí)間的點(diǎn)云進(jìn)行比對(duì)的方法，求解出激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度以及姿態(tài)的變化，從而準(zhǔn)確的獲取機(jī)器人的位置信息。激光雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)具備定位精度高、探測(cè)角度廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，但也存在激光雷達(dá)成本高、探測(cè)距離短等劣勢(shì)，具有一定的應(yīng)用局限性。

2.5 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航通過(guò)航位推算法將載體當(dāng)前的航向和速度與上一時(shí)刻的位置相結(jié)合，推算出當(dāng)前時(shí)刻的位姿，并得到載體的行駛軌跡，保證不受外界環(huán)境因素的影響[14]。但由于其誤差隨著使用時(shí)間不斷積累，因此定位精度不高，主要用于輔助導(dǎo)航方面。

3 基于BDS的機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)

3.1 基于BDS的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人由機(jī)器人本體和后臺(tái)管理系統(tǒng)組成，機(jī)器人本體與后臺(tái)管理系統(tǒng)之間采用無(wú)線通信，采用WAPI 無(wú)線通信協(xié)議，機(jī)器人系統(tǒng)框架圖如圖2所示，主要由電源管理系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，控制系統(tǒng)由工控機(jī)和單片機(jī)組成，導(dǎo)航定位系統(tǒng)由北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺(jué)導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航模塊和超聲波避障系統(tǒng)組成。

機(jī)器人使用BDS系統(tǒng)與超聲波雷達(dá)避障系統(tǒng)作為導(dǎo)航方式，并用視覺(jué)導(dǎo)航作為輔助導(dǎo)航方式，既可以達(dá)到厘米級(jí)導(dǎo)航定位精度，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中靈活避障。由于不使用價(jià)格高昂的激光雷達(dá)，大大降低了機(jī)器人的制造成本。

圖2 基于BDS的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 BDS地基增強(qiáng)基站架設(shè)

電力北斗精準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)系統(tǒng)一般將數(shù)據(jù)中心設(shè)置在電網(wǎng)公司總部或者省公司通信機(jī)房，基站與數(shù)據(jù)綜合處理中心通過(guò)電力數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行通信?；究筛鶕?jù)地域規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃，一般設(shè)置在樞紐變電站內(nèi)以節(jié)約土地成本。

由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的授時(shí)、定位、導(dǎo)航、短報(bào)文通信服務(wù)可靠性要求比較高，應(yīng)當(dāng)設(shè)置在I區(qū)或II區(qū)，并做好縱向加密、橫向隔離等網(wǎng)絡(luò)安全邊界防護(hù)，接收終端應(yīng)當(dāng)使用加密芯片并基于唯一識(shí)別認(rèn)證機(jī)制加以認(rèn)證。

3.3 地圖創(chuàng)建

通過(guò)激光掃描器、高精度北斗定位設(shè)備等建立變電站全局地圖，對(duì)變電站道路、建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，將各節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)信息儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于變電站地勢(shì)較為平坦，全局地圖通過(guò)平面坐標(biāo)系來(lái)構(gòu)建，為此需要將讀取的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系，然后再通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)或平移等方式將其轉(zhuǎn)換為機(jī)體坐標(biāo)系[15]。CGCS2000 大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法常用有高斯一克呂格算法和墨卡托投影算法，通過(guò)將橢球面三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)系。

3.4 導(dǎo)航控制與避障

機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的位置坐標(biāo)信息，通過(guò)BDS系統(tǒng)導(dǎo)航行駛至目標(biāo)位置，在行進(jìn)過(guò)程中，視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)可見(jiàn)光攝像頭提取路面及周邊設(shè)備圖像并進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)路線校準(zhǔn)以及最優(yōu)路線的規(guī)劃。

在機(jī)器人行駛過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)前部及兩側(cè)的超聲波傳感器檢測(cè)周邊障礙物情況，同時(shí)根據(jù)機(jī)體速度判斷是否會(huì)發(fā)生碰撞，并調(diào)用相關(guān)算法對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，以達(dá)到自動(dòng)避開(kāi)障礙物的目的。

3.5 無(wú)線通信

目前，對(duì)于變電站巡檢機(jī)器人與監(jiān)控主站之間的通信，一般采用Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)橋傳輸方式，無(wú)法滿足變電站網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸要求。通過(guò)可靠的通信方式是，加裝無(wú)線加密通信模塊，采用支持WAPI無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)或230 MHz電力無(wú)線專網(wǎng)通信模組通信。

將BDS系統(tǒng)的雙向短報(bào)文通信服務(wù)作為機(jī)器人無(wú)線通信的后備通信，主要用來(lái)下達(dá)控制命令，傳輸裝置告警信息以及設(shè)備緊急重大缺陷等。對(duì)于護(hù)網(wǎng)、保供電、變電站內(nèi)必須停用無(wú)線通信等有關(guān)情況時(shí)，通過(guò)利用BDS 短報(bào)文通信服務(wù)來(lái)傳輸信息，以確保不至于因?yàn)橥Ｓ脽o(wú)線通信導(dǎo)致機(jī)器人停用。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在某開(kāi)通電力北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的變電站對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在變電站室外設(shè)置機(jī)器人運(yùn)行路線為矩形，設(shè)定矩形的4 個(gè)頂點(diǎn)作為定位點(diǎn)（A點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)、D點(diǎn)），進(jìn)行50 次定位循環(huán)，并計(jì)算50次定位的定位精度平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，得到對(duì)于每個(gè)定位點(diǎn)的定位精度。利用激光SLAM 技術(shù)的機(jī)器人進(jìn)行定位精度測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)精度達(dá)到厘米級(jí)，盡管比激光SLAM 定位精度略低，但已經(jīng)滿足變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航需求。根據(jù)市場(chǎng)行情調(diào)查得知，激光雷達(dá)與高精度北斗導(dǎo)航模塊價(jià)格差距較為明顯，激光雷達(dá)費(fèi)用是高精度北斗導(dǎo)航模塊4～8倍。綜合考慮定位精度和設(shè)備成本等因素，采用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)定位技術(shù)進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)航是更為合理的選擇。

表1 定位精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 cm

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)，提出了一種利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)并輔以視覺(jué)導(dǎo)航的算法，該算法利用厘米級(jí)定位服務(wù)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，輔以視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)完成對(duì)導(dǎo)航路線校準(zhǔn)及最優(yōu)路線規(guī)劃，實(shí)時(shí)有效地對(duì)智能巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制，滿足變電站智能巡檢機(jī)器人巡檢精度要求。由于不使用價(jià)格昂貴的激光雷達(dá)，節(jié)省巡檢機(jī)器人的制造成本，具有很好的應(yīng)用推廣前景。