水電廠巡檢機器人應用及導航定位方式分析

韋江平，李浩瑋，王 偉，黃智榜

（龍灘水力發(fā)電廠，廣西 河池 547000）

巡檢機器人是水電廠生產管理研究領域內的一項重要內容，自主導航是機器人應具備的一項關鍵技術，其配合應用各類功能型傳感器給機器人進行方位指引，準確識別道路及障礙物所處區(qū)段，輔助規(guī)劃達到目標地的適宜渠道。自定位及導航精準能使機器人高效執(zhí)行設備故障檢測等任務，體現(xiàn)出自身的使用價值。

1 導航運動控制

針對以地面導航線為基礎的兩輪差動式移動機器人，設計運用機器人相對導航線的運行方向，動態(tài)修正左右輪的轉速，精準調控機器人和導航線兩者的距離差、角度差，確保機器人能沿著導航線行進，執(zhí)行直走、轉彎等過程，落實特定的現(xiàn)場巡檢任務。

1.1 整體電路

從宏觀層面上，可以將系統(tǒng)分成檢測、控制與驅動三大模塊。運用紅外技術掃描檢查表面狀況，運用處理器剖析檢測結果，隨后將結果完整地傳輸給控制模塊進行動態(tài)化管理控制，將相關信號傳輸給驅動芯片以驅動電機運轉，至此就實現(xiàn)對小車現(xiàn)場運動軌跡的合理規(guī)劃與有效控制。

1.2 路徑探測

無軌導航是機器人執(zhí)行巡視檢查任務的關鍵，在具體實踐中，機器人設備要集成運用編碼里程計、激光定位、智能視覺定位達到準確定位，定位精度能達到10 mm，符合水電廠內設備巡檢工作要求。

安裝調試環(huán)節(jié)，技術人員運用機器人配置的激光發(fā)射倉創(chuàng)建激光掃描地圖，隨后于本體控制后臺內規(guī)劃機器人的現(xiàn)場巡檢路線，機器人就能按照設計任務或路線自動運行。機器人依照操作人員設定的要求，按照巡檢點位排序，發(fā)揮自主優(yōu)化巡檢路徑等功能。

在設定機器人大致現(xiàn)場巡檢路線以后，可以加入標識線，通過巡線相機辨識標識線的方法進一步提升巡檢機器人定位的精準度。

基于紅外探測法使機器人執(zhí)行循跡導航過程，運用紅外線對差異化色彩的物理表層具備不同的反射特性的屬性，使機器人現(xiàn)場巡檢時紅外光持續(xù)發(fā)射給地面，紅外光遇到白色地面時便會即刻產生發(fā)射動作，裝配在小車上的接收管接收反射光；如果沿途中遇到的是黑線，那么紅外光就會被吸收，此時接收管無法接收到信號，需要運用比較器收集高低電平數(shù)據(jù)，進而達到檢測信號的目標。

機器人進到彎道時，由于轉向舵機響應具有滯后性的特征，所以采用在巡檢機器人前方安置激光探測板進行路徑信息探測的形式很容易造成部分彎道黑線的位置信息遺失。為減少或規(guī)避以上情況，建議運用路徑跟隨系統(tǒng)，實際響應速度為轉向舵機2 倍左右的隨動舵機，它能夠快速驅動固定于轉動臂上的激光探測板運轉，使中心激光點追隨道路中間黑線，降低部分路徑信息遺失的風險。

1.3 避障模塊

在水電廠環(huán)境內，道路區(qū)和設備區(qū)的外觀顏色上存在著明顯的不同，鑒于這種情況，可以進行一階差分運算，準確測出道路左右兩側路牙線。在HSV 空間內執(zhí)行相關處理任務時，如果檢查發(fā)現(xiàn)有單個像素點的H、S 值對應的一階差分高于設計閾值，那么可以初步認定其屬于道路邊沿線范圍內?？茖W判定圖像上所有像素，計算獲得符合以上條件要求的像素以后，進行圖像預處理，剔除噪聲點，而后在最小二乘法的協(xié)助下準確計算出道路右側沿線相配套的直線方程。假定圖像上的縱向中心線是機器人設備的行進線，測算出的直線斜率便是行進線和邊沿線兩者的夾角偏差θ，圖像最下部中心點到邊沿線之間的最短距離便是距離偏差d。

如公式（1）所示，運用比例控制方法融合θ與d，就能順利獲得機器人左右車輪的差速，合理調控機器人車輪的運轉速度，就能使其沿道路邊沿線行進[1]。

式（1）中：kθ、kd都為比例系數(shù)；為機器人與道路單側邊沿的期許距離長；vl、vr分別為機器人左、右車輪各自的行進速度；v為機器人質心的前進速度。

如果機器人現(xiàn)場巡檢前進道路之上存在部分障礙物，那么系統(tǒng)便能自動判斷出障礙物所處區(qū)域的中心點和與機器人本體之間的距離，如果其在設計閾值之下，比如1.0 m 時，就需要調控機器人的運動方向，使其向相反的方向轉動以繞行。障礙物區(qū)下角像素點和圖像最下部中心點的連線就是機器人新規(guī)劃的行進線，直線和圖像縱向中心線的夾角即是偏轉角度。反復執(zhí)行以上過程，直到機器人成功繞行障礙物。

運用HC-SR04 超聲波模塊達到避障目標，這類模塊能外供20～4 000 mm 的非接觸距離感測功能，測距精準度能夠達到3 mm，在滿足機器人系統(tǒng)正常使用需求的基礎上具備高精準度、強抗干擾能力等特點[2]。確保機器人現(xiàn)場使用工程能快速、精準地判斷出是否為地面凸起或者無法穿越的障礙，模塊類型以超聲波發(fā)射器、接收器以及控制電路3 種為主。當機器人在特定黑色軌跡線路上突然遇到障礙物時，程序會自動把機器人切換到手動控制模式并傳送出圖像信號，這樣值班人員就可以通過手動操控的形式使機器人返回至線路重新自動循跡。

1.4 驅動模塊

運用直流電動機驅動機器人的行走輪。如果有左轉的需求是R 電機反轉、L 電機正轉，右轉時則是R電機正轉、L 電機反轉。

2 軟件設計

紅外板運用“三對一”的對光反復，因此需要系統(tǒng)化處理紅外探測收管的信息以后再進行集中存儲。如果接收信號是“高”，則預示著相應接收管無法接收到反射而來的光，偏差值大小能呈現(xiàn)出小車相對中心線的相對方位大小，單片機或微控制器參照采集到的路徑信息適時調控隨動舵機的運行狀態(tài)。關于隨動舵機的管控問題，要嚴格按照反射光偏差值大小調整其旋轉角度，該角度大小和偏差值高低之間存在著正比關系。配置運用了能支持2.4 G Wi-Fi 信號傳輸?shù)男孤峨娎|進行通信，在整個電纜發(fā)散分布中泄露電纜表現(xiàn)出較高的一致性，在道路障礙較多的復雜化環(huán)境內表現(xiàn)出良好的使用性能，當前在軌道交通、隧道工程領域內均有廣泛應用，能較好地滿足水電廠現(xiàn)場巡檢的通信要求。

2.1 運動控制系統(tǒng)

選用研祥EC7-1812CLDNA 工控機作為機器人的主控平臺構造，功能主要是處理各類傳感器運行過程中采集到的數(shù)據(jù)，幫助相關人員掌握現(xiàn)場環(huán)境信息及電廠設備實際運行狀態(tài)信息，將視頻信息完整地傳送到監(jiān)控中心內，結合現(xiàn)實需求適度調控電機驅動器的運作模式，確保機器人在現(xiàn)場能高效率、精準地進行自主導航。

本課題研究的巡檢機器人是輪式機器人，雙輪同軸差分驅動形式作為其運動控制系統(tǒng)，通過調整左右兩個驅動輪電機轉速的方式達到轉向。要清晰闡明以上問題，先要構建機器人的運動學模型，分析機器人本體的運動特性。

機器人的運動模型如圖1 所示，假定機器人在平地面上運動，車輪僅旋轉不打滑且與地面接觸點的速度是0，左右車輪有等同的輪半徑r，左右車輪的角速度分別為ω1、ω2，那么抵達新的位置后，機器右輪和左輪相比，多轉過的位移量為[3]：

圖1 機器人的運動學模型

假定機器人的輪距是L，圖內∣A′B′∣=∣AB∣=L，那么可以將式（2）簡化成：

當機器人左右車輪的角速度滿足ωr≠-ωl時，質心的線速度是0，機器人可以進行原地旋轉；ωr≠±ωl時，機器人會以某曲率半徑進行圓周運動，機器人巡檢時執(zhí)行轉彎任務，轉彎半徑R為：

推導出巡檢機器人的運動學方程式為[4]：

式（3）中：vx、vy分別為機器人質心在電子地圖Xm、Ym軸方向的分速度；ωc為質心的角速度。

通過調控巡檢機器人左右兩個車輪的速度，去執(zhí)行直行和轉彎的過程。

2.2 立體視覺開發(fā)平臺

2.2.1 Bumblebee Ⅱ雙目攝像機

這種攝像機產品是由Point Grey 公司研發(fā)的，2005年上市，是一種典型的雙目式立體視覺攝像頭，其最大的特點是有效滿足了雙目圖像在清晰度、幀率等方面的實際需求，并充分考慮了攝像機自身尺寸大小、經(jīng)濟性等因素，實現(xiàn)了在不犧牲幀率的情景下獲得優(yōu)質的環(huán)境圖像資料的目標。

雙目攝像機長、寬、高值分別為158 mm、35 mm、46.9 mm，基線全長12 cm。攝像機鏡頭配置使用了2個全智能化的索尼ICX204 彩色CCD，鏡頭光軸相互平行且與基線垂直，同步時差被控制在20 μs 之內，焦距精準到6 mm，視角為42°。攝像機的分辨率最高、最低值分別為1 024×768、640×480，具體應用時操作者可以通過啟用軟件上局部控制面板的方法去精準調控分辨率大小，本課題研究選用的分辨率是640×480。IEEE-13 94a 是攝像機與PC 機之間進行通信的基礎，信號實際傳輸速率400 bps，能夠達到高速的實時追蹤測量[5]。理論上講，當攝像機分辨率是640×480時，圖像采集速度能抵達48 fps，但是在水電廠現(xiàn)場設備巡檢過程中通常不能取得這一成效，幀率會低出許多。

2.2.2 軟件開發(fā)包

Bumblebee Ⅱ雙目攝像機本體有軟件開發(fā)包，一種是Digiclops SDK，另一種是Triclops Stereo Vision SDK。前者最顯著的功能作用是實現(xiàn)了對數(shù)臺攝像機讀取圖像資料的同步化調控，基于圖像處理算法完成圖像色彩的處置工作任務，確保了所得時間信息的精準度，檢查并抑制掉幀狀況。運用Digiclops SDK 還能設置設計相機的使用參數(shù)，及獲取、處理及存儲圖像信息。Triclops Stereo Vision SDK 能精準、快捷地處理Digiclops SDK 獲取的雙目圖像對，進而生成客觀世界的深度圖，這種開發(fā)包能使機器人更高效率地執(zhí)行處理器緩存、MMX 指令集資源的應用過程，顯著提升三維空間信息的處置效率，操作者無需再追求提升系統(tǒng)的運行速率，從而可以省略立體視覺算法的部分執(zhí)行步驟。

3 結束語

本課題設計開發(fā)的巡檢機器人具備良好的巡視導航定位功能，選擇atmega328P 作為控制核心，運用軟件平臺編程實現(xiàn)精準定位，運用各類傳感器識別、定位道路障礙物，準確獲得現(xiàn)場信息并將其作為導航憑據(jù)，進行準確、快速導航，確保機器人能依照系統(tǒng)提供的路線執(zhí)行巡檢任務，確?，F(xiàn)場巡檢過程安全性，提升巡檢效率。