基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判

王賢強(qiáng)，劉軍，張正祥，胡云輝

（國網(wǎng)安徽省電力公司合肥供電公司，安徽 合肥 230000）

目前，民用電量和工業(yè)用電量急劇增多，給電力系統(tǒng)帶來了較大的壓力，同時(shí)也為電力系統(tǒng)提供了新的發(fā)展機(jī)遇[1]。電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是保證電網(wǎng)穩(wěn)定的重要前提，早期對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的檢查主要依賴于人工，工作人員使用特定的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備定期對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行巡檢，以此保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。隨著用電量的成倍增加，電網(wǎng)供電范圍的擴(kuò)大，早期的人工巡檢方法工作效率低、危險(xiǎn)性高，易出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢的情況，巡檢工作逐漸被機(jī)器人取代[2-4]。針對(duì)電網(wǎng)特殊的工作環(huán)境，機(jī)器人代替人工巡檢的方法更加安全可靠，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，是未來電網(wǎng)帶電運(yùn)維無人化的趨勢和研究熱點(diǎn)[5]。

國外對(duì)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究比較早，運(yùn)維機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人的一種，其研究在80 年代末已經(jīng)取得了一定的成果，進(jìn)入21 世紀(jì)后，國外的一些學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出運(yùn)維機(jī)器人的樣機(jī)，且對(duì)機(jī)器人的行為導(dǎo)航技術(shù)也有一定的研究成果[6]。傳統(tǒng)的機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法只能單自由度地控制機(jī)器人機(jī)械臂識(shí)別周圍環(huán)境，部分角度的環(huán)境信息缺失，使預(yù)判位置存在一定的位置誤差和航向角度誤差[7]。針對(duì)這一問題，該文提出了基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法，解決了傳統(tǒng)方法中存在的問題。

1 機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)維環(huán)境溫度誤差

利用六軸慣導(dǎo)控制機(jī)器臂末端的手持慣導(dǎo)設(shè)備軌跡，獲取以機(jī)器人為中心的周圍環(huán)境特征，為機(jī)器人作業(yè)位置的預(yù)判做準(zhǔn)備。使用六軸慣導(dǎo)為帶電作業(yè)機(jī)器人的控制核心，其設(shè)計(jì)的控制模塊主要包括手持慣導(dǎo)設(shè)備、機(jī)器人空間機(jī)械臂和機(jī)械臂控制器，其中手持慣導(dǎo)設(shè)備采集操作員手部動(dòng)作，將手部動(dòng)作數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)械臂控制器。六軸慣導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 六軸慣導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)

在實(shí)際的電網(wǎng)帶電運(yùn)維過程中，機(jī)器人通過云臺(tái)被推送到作業(yè)高空，工作人員操作機(jī)器臂和環(huán)境感知部件感知周圍環(huán)境，傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)，完成作業(yè)任務(wù)[8]。在云臺(tái)上，雙目立體相機(jī)實(shí)時(shí)將環(huán)境感知部件采集的圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛?。機(jī)器臂操作控制器通過操作員手部操作，自動(dòng)規(guī)劃各自由度的運(yùn)行軌跡，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器臂調(diào)整到操作員期望的空間角度，獲取周圍完整的環(huán)境信息[9-10]。

在獲取圖像的同時(shí)，使用紅外測溫功能，識(shí)別周圍環(huán)境溫度異常的物體。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，很多設(shè)備零件內(nèi)部存在熱運(yùn)動(dòng)，符合黑體輻射定律[11]。根據(jù)黑體輻射定律：

式中，α1和α2表示輻射常數(shù)，β表示光譜輻射波長，T表示絕對(duì)溫度，P表示能量密度。

結(jié)合上述公式可知紅外測溫的原理，輻射能力越強(qiáng)的物體代表其溫度也越高[12-13]。帶電運(yùn)維機(jī)器人上裝有紅外熱像儀，利用紅外熱像儀上的探測器聚焦設(shè)備零件的局部區(qū)域熱度，從而將溫度數(shù)據(jù)傳輸至顯示界面，獲得已知的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)已知的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷時(shí)，針對(duì)不同的情況，考慮溫升、溫差和相對(duì)溫差3 個(gè)關(guān)鍵因素[14]。相對(duì)誤差是根據(jù)相應(yīng)的兩個(gè)測點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)獲得[14]。公式如下：

式中，κ1表示發(fā)熱點(diǎn)的溫升，κ2為正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升，g0表示環(huán)境參照體的溫度，g1和g2分別表示發(fā)熱點(diǎn)和正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度。根據(jù)電網(wǎng)線路的溫度診斷，明確機(jī)器人運(yùn)維環(huán)境，避免由溫度引起的運(yùn)維誤差。

1.2 運(yùn)維環(huán)境特征模型構(gòu)建

通過上述過程獲得周圍環(huán)境特征，從而對(duì)機(jī)器人作業(yè)位置進(jìn)行預(yù)判[15]。通過環(huán)境感知部件獲得一定的距離數(shù)據(jù)，距離數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的特征就是觀測到的環(huán)境特征。在環(huán)境感知部件工作時(shí)，受到外界因素的影響，距離數(shù)據(jù)中存在部分噪聲，不能直接獲取到完美直線。針對(duì)這一問題，引用約束規(guī)則，將屬于同一直線的距離點(diǎn)歸并，獲得完美的環(huán)境特征直線。用極坐標(biāo)r=(θ,λ) 表示距離點(diǎn)，直線由模型參數(shù)(d,γ)描述，d表示機(jī)器人到直線的距離，γ表示d到機(jī)器人坐標(biāo)橫軸的夾角。該直線特征作為機(jī)器人位置估計(jì)的觀測，觀測模型可以用下式表示：

式中，Ma表示在機(jī)器人極坐標(biāo)下a時(shí)刻的觀測模型，通過觀測模型可獲得環(huán)境地圖中的特征。

1.3 機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判

假設(shè)帶電運(yùn)維機(jī)器人從已知的位置出發(fā)，通過機(jī)器人上的運(yùn)動(dòng)感受傳感器達(dá)到獲取機(jī)器人行動(dòng)信息的目的，將收集到的多種行動(dòng)信息集成為控制輸入數(shù)據(jù)，通過這些輸入數(shù)據(jù)達(dá)到跟蹤機(jī)器人位置的目的[16]。需要注意的是，傳感器測量的數(shù)據(jù)并不能完美地代替機(jī)器人實(shí)際執(zhí)行的動(dòng)作，在測量過程中存在部分誤差，被引入到后續(xù)操作中，給機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判帶來了誤差。因此，建立機(jī)器人的位置預(yù)測模型，以預(yù)測機(jī)器人的作業(yè)位置。

利用IMU（慣性測量單元）獲取機(jī)器人的絕對(duì)航向信息，利用里程計(jì)和IMU 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在起始點(diǎn)的初始位置對(duì)準(zhǔn)：

式中，W0表示機(jī)器人的初始位置。根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到機(jī)器人位置更新的基本方程：

式中，v表示機(jī)器人的線速度，W表示前一時(shí)刻位置的估計(jì)數(shù)據(jù)，ω表示機(jī)器人移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速度，W'表示后一時(shí)刻位置的估計(jì)數(shù)據(jù)。通過初始位置和更新位置獲得預(yù)測直線。在對(duì)電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判時(shí)，將通過觀測模型獲得的觀測直線及通過IMU 得到的預(yù)測直線相匹配，將預(yù)測直線數(shù)據(jù)組成預(yù)測子集，觀測子集則由環(huán)境感知數(shù)據(jù)組成。為了保證匹配過程中預(yù)測和觀測的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)一的異常情況，將觀測直線和預(yù)測直線都關(guān)聯(lián)同一個(gè)環(huán)境特征。同時(shí)建立一個(gè)預(yù)測和觀測之間的修正量ξij，更好地找到觀測之間預(yù)測的配對(duì)。

式中，(v·t)ja表示a時(shí)刻的觀測，(v·t)'ia表示a時(shí)刻的預(yù)測。為了判斷特征預(yù)測和觀測之間匹配是否有效，給出匹配的判定門限：

其中，G表示預(yù)測和觀測之間匹配的門限閾值。在預(yù)測子集和觀測子集匹配過程中，通過式（9）的判定條件判斷一個(gè)觀測與各個(gè)預(yù)測之間的關(guān)系。在真實(shí)的作業(yè)過程中，只有一個(gè)觀測結(jié)果落在一個(gè)判定門限才是有效的。若出現(xiàn)一個(gè)觀測對(duì)應(yīng)多個(gè)判定門限，則通過計(jì)算和多次匹配，篩選出最佳的配對(duì)作為有效配對(duì)。對(duì)于匹配過程中沒有落入判定門限的觀測，則直接棄置，僅利用預(yù)測來估計(jì)機(jī)器人的作業(yè)位置。

在電網(wǎng)帶電運(yùn)維過程中，其機(jī)器人作業(yè)環(huán)境基本相似，環(huán)境特征相似度較高，為了避免落入多個(gè)判定門限的情況，選擇環(huán)境特征差異較大的區(qū)域。

至此，基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)預(yù)判方法設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判實(shí)驗(yàn)研究中，主要引用傳統(tǒng)的預(yù)判方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)器人如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)機(jī)器人

為減少自然環(huán)境的干擾，定位實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，分別使用基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法和文獻(xiàn)[7]提出的巡線機(jī)器人輸電線路狀態(tài)檢修方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用第三方軟件Rviz輸出結(jié)果，通過仿真結(jié)果能夠明顯看出不同預(yù)判方法的對(duì)比效果。

圖3顯示的a、b、c、d 4個(gè)點(diǎn)為預(yù)判點(diǎn)，圖中的軌跡為機(jī)器人行動(dòng)軌跡。從圖中可以看出，傳統(tǒng)預(yù)判方法預(yù)判的位置與機(jī)器人實(shí)際行動(dòng)軌跡相比，出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏離，而該文方法預(yù)判的位置與機(jī)器人實(shí)際行動(dòng)軌跡十分貼切。統(tǒng)計(jì)出兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的位置誤差和航向角誤差，使用不同的預(yù)判方法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 統(tǒng)計(jì)位置誤差和航向角誤差。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

圖3 不同預(yù)判方法位置預(yù)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 不同預(yù)判方法誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1 可知，文獻(xiàn)[7]提出的巡線機(jī)器人輸電線路狀態(tài)檢修方法平均位置誤差為30.55 cm，航向角誤差為9.41°；基于六軸慣導(dǎo)的預(yù)判方法平均位置誤差為2.79 cm，航向角誤差為0.52°。對(duì)比以上數(shù)據(jù)，可以明顯看出傳統(tǒng)的預(yù)判方法位置誤差遠(yuǎn)高于基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法，說明設(shè)計(jì)的預(yù)判方法優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)判方法。

3 結(jié)束語

機(jī)器人在電網(wǎng)帶電運(yùn)維中承擔(dān)著電力巡檢的任務(wù)，通過對(duì)作業(yè)位置的預(yù)判，完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)并實(shí)時(shí)上報(bào)。通過引用六軸慣導(dǎo)控制機(jī)器人的行為，利用機(jī)器臂獲取機(jī)器人周圍環(huán)境信息，依據(jù)環(huán)境信息及物件溫度變化預(yù)判出機(jī)器人作業(yè)位置。針對(duì)不同預(yù)判方法，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，證明了設(shè)計(jì)的基于六軸慣導(dǎo)的電網(wǎng)帶電運(yùn)維機(jī)器人作業(yè)位置預(yù)判方法更加優(yōu)秀。但是所提方法仍然存在一些問題，由于實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)主要依靠人工測量，定位精度不足，下一步研究工作可以圍繞這一問題展開。