基于地图匹配的变电站巡检机器人激光导航系统设计.pdf

l 訇 化 基于地图匹配的变电站巡检机器人激光导航系统设计 L a s e r n a v i g a ti o n s y s te m d e s i g n fo r s u b s ta ti o n e q u i p m e n t i n s p e cti o n ro b o t b a s e d o n m a p ma tch i n g 李红梅 王滨海 廖文龙 王海鹏 肖 鹏 L I H o ng m e i W A N G B i n ha i L IA O W e n l o ng W A N G H a i p e ng X IA O P e ng 1 国网山东省电力公司 济南 250001 2 山东鲁能智能技术有限公司 济南 250101 3 上海交通大学 自动化系 上海 200240 摘要 针对目前变电站巡检机器人导航方式存在的不足 设计了基于地图匹配的变电站巡检机器人 激光导航系统 介绍了导航系统的系统组成结构 并着重对建图定位软件中的地图创建和定 位结算模块的实现方法行了设计 同时也针对机器人的全局路径规划实现方法进行了简要介 绍 通过变电站现场测试 本系统具有较高的重复定位精度 满足机器人巡检运行的要求 关键词 变电站 机器人 导航 中图分类号 T P 242 文献标识码 B D oi 1 0 3969 J i ssn 1 009 01 34 2014 61 I 16 0引言 变 电站巡检机 器人 是一种全 自主运 行的轮 式 机器人 可携带可见光摄像机 红外热像仪 拾 音器等传感器对电力设备进行例 行巡检 有效 降 低人工巡检的劳动强度 提高站 内设 备运行 的可 靠性 目前 变 电站巡检机器人导航 系统一般 采用磁轨 迹 引导外 加R FID 标 签辅助 定位方式 实 现 该导航方式可靠性好 抗干扰能力强并具 备 较高 的重 复定位精度 非常适合执行站内设备例 行巡检任务 但利用这种导航方式需要在机器人 运行路线上铺设磁条和设定R FID 标签 施工的工 作量较 大 为解决这一 问题 其他的一些导航方 式已被 引入巡检机器人并在变电站现场进行了测 试 从公开 的资料可 以看 出 激光导航表现出了 良好 的定位精度和对室外变电站环境具有较好适 应性 文献 3 和 4 介绍了一种基于人工路标的变 电站巡检机器人激光导航系统 由于其导航 需要 按照一定要求在环境 中安置人工路标 路标安 置 和调整 的工作量较大 一般 不适 用于变电站较 大 范 围的机器人导航运行 对此 本文设计 了一种 不依赖人工路标的变 电站巡检机 器人激 光导航 系 统 该 系统通过激光传感器扫描运 行环境并建立 电子地图 之后通过地图匹配 的方式 实现巡检机 器人在变 电站环境内的导航运行 现场试验结果 表明该导航 系统的导航 定位精 度上满足巡检机器 文章编号 1 009 01 34 2014 Ol I oo52 05 人巡检运行的要求 1系统设计 本文所述激光导航系统利用巡检机器人 自身 携带 的激光测距传 感器和里程计建立变 电站大范 围 特征 稀疏 环境 的二维地 图 再 利用 激光 测 距传感器的观测信 息与所创建 的地 图进行匹配并 得到机器人的定位信 息 定位信息 包含位置和航 向 下同 最 后机器人导航控制 系统利用以上 定位信息导航机器人 到达变 电站 内的指定位置 巡检机器人激光导航系统的总体结构如图l 所示 图1 巡检机 器人 激光导航 系统 结构 收稿日期 2013 09 24 基金项目 国家电网公司 变电站巡检机器人复杂环境适应性技术研究 2012A 一 116 作者简介 李红梅 1963 一 女 山东临沂人 高级工程师 主要从事电网生产技术管理 科技管理 智能电网管理 及电网环保管理工作 52 第36卷第1期2014 01 上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 似 图 中 激 光 传 感 器 选 用 了 S I C K 公 司 的 LM S 111 该传感器是一款适合室外应用的中距离 测距传感器 其有效测距范围为20m 测距扫描范 围为270 叫 该传感器通过设定后可周期性 的将 扫描测量到的周边环境测距信息发送至机器人工 控机 机器人工控机上安装的建 图定位软件 负责 将激光测距数据与两轮驱动器反馈的里程计信息 进行融合 处理从 而生成机器人运行环境地图 之 后可利用该地 图进 行机 器人 的定位解 算 解算得 到 的定位 结果被发送至导航控制软件 该软件 负 责生成机器人运行路径并控制机器人沿路径行走 和停靠 巡检机器人上 的工控机配备 了低功耗 的英特 尔i 7处理 器并 安装 了嵌 入式L i nux操 作 系统 其 为整个导航 系统的运行提供 了功能强大的硬件平 台 工 控机上同时配 置了2 4G 无线 网络设备 可 以通过 无线网络将导 航系统运行信息发送至远程 监控主机 以监控巡检机器人的运行状态 方便 系统的开发和测试 2软件设计 2 1 建 图定位软件 建 图定位软件按 照功能被划分为地 图创建模 块和定位解算模块两部分 其 中 建 图模块可根 据预先采集 的激光和里程计信息通过离线计算得 到机器人运行环境的地 图 而激光定位模块则在 机器人运行时利用IC P E K F 算法将实时获取的激光 传感器数据与预先创建的地图进行匹配 以获取 机器人的定位信息 1 地图创建模块 在变 电站环境 中 采用激光 测距传感器创建 环 境 地 图相对 于 室 内更 为复 杂一般 来 说 一 方 面 室外 环境范 围大 特征少 传感 器能够感知 的 信息有 限 另一方面 地 图创建需要依赖机器人 里程计推推算得到 的机器人 的定位信息 而这一 信 息将 会随 着机 器 人运 行距 离 的增 加而 不断 增 大 以上都对机器人建立精确地环境地图提 出了 挑战 本文地图创建部分采用了递增极大似然估计创建 全局概率地图 地图存储采用栅格地图格式 地图 创建首 先基于一 系列最大可能 的移动机器人位置 来建立一系列与实际环境最为匹配的地 图 同时假 定m s m 一 1 s 1分 别表示t及 t一 1时刻与实际环境最为匹配 的局部地 图和移动机 器人的最大可能的位置 m S分别表示时刻可能的 局部地图及移动机器人位置 z 表示t时刻移动机 器人 的观 测值 u 表 示t时刻 移动 机器 人 的运动 量 于是m t St 是基于m 一 1 St 1并经 由最大边缘概 率公式求得 如下 argm ax m r s tP ztl m t st p st m tl ut m t 一 1 st 一 1 当采集到z 时 Sc an m atc hi ng算法负责遍历S 空间 找 出能使Z 与m t 一 1最为匹配 的机器人的位置 s 设Z 中第i 个激光束落点在m t 一 1中所处栅格的概 率为 则每个遍历点的权重03为 p 05最大的 遍历点就是s 进而m t 可根据s 及Z 计算求得 图2 所示为地图创建模块流程 图2 地 图创建模块流程 需要注意的是 由于激光测距传感器 的观测 信 息和里程计 的位置信 息都存在误差 为 了能够 在创 建地 图 的过程 中有效 地处 理掉 这 些误 差 创建 出准确 的概率地 图 则需要对激光测距传感 器和里程计准确建模 对于激光测距传感器 其 可 以认为是精确度非常高 的传感器 不确定性 非 常小 因此采用陡峭的高斯分布来表达其 不确定 性 而对于里程计则假定其推断的定位信 息误差 的误差随着运行距离的增长呈线性增 长 并 以此 为基础确定算法执行中机器人位置的搜索空间 按照 以上方法在变动 电站现场主变 区采集到 的机器人 激光和里程计数 据创建 的环境地 图如图 3所 示 其 中绿色线 为记录得到 的机器人运 行轨 迹 图3 a 为变 电站现场设备区的道路图片 图中存在一段直线道路 图3 b 是根据原始数 据得到 的机器人环境地 图 由于里程计误差 该 地 图无法正确表示机器人运行环境 图3 C 是 通过Sc an m atc hi ng算法处理得到的地 图 可以看 出本 文所述Sc an m atc hi ng算法能够有效地消除掉 里程 计的累积误差 创建出了与巡检真实运行环 境较为接近 的地图 第36卷第1期2014 01 上 531 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 似 b 江一 图3 变电站现场设备区地 图 2 定位解算模块 定位解算部分主要采用了IC P算法将激光传感 器获取的数据与创建的环境地图进行匹配 从 而 获得机 器人相对于环 境地图坐标 系的位置 IC P Iterati ve C l osest Poi nt 由B esl IM C K ay于1992年 提 出 它是一个快速 精确的算法 在点集匹配 中得到广泛 的应用 其主要思想是采用最小距离 原则 迭代地将一个点集匹配到另外一个点集 尽管IC P 能够独立 的进行机器人定位 但相关文献 表明IC P并不能提供充分有效且精准的位姿估计 这是因为IC P 对于观测噪声等因素不够鲁棒 同时 它没有分析传感器和地 图自身 的噪声 因此 本 文将E K F 与IC P相结合 从而克服彼此的缺点并取 得满足 系统要求的定位精度 由于巡检机器人是双轮差速运动且激光传感 器安装于机 器人运动 中心 此处采用的机器人运 动学模型 预测模型 如下 1 f x k uk w k l Xk 15VkCOS l 厂 uJc l Yk tvksi n l l to9k l 其中 uk 为控制信号 V 是机器 人的直行速度 tO 是机器人的旋转角速度 t为采 样周期 假定机器人位姿为X X Y r 则对应于观 测的地 图位置为 一 Rc os O qgi 1 q 一 Rsi n O f J 其中 f为第i 个点相对于机器人运行方 向的 角度 通过寻找对于qi 的最近 障碍物点P 从而建 541 第36卷第1期2014 01 I 立了地图和观测的两组相对应的两组点集P 和 Q qi 使两组点集的平方差距离最小 可得坐标 旋转矩 阵R 和平 移向量T 在得 到坐标 变换关 系 后 可更新机器人位姿X R X Y r T 重 复进行上述过程 直至算法 收敛或达到最大迭代 步数 图4展示了差用激光测距传感器在二维平面下的 观测模型 假定机器人位姿为X X Y 激 光束的角度为 根据几何可得期望的激光束距离 图4 激光传感器观测模型 根据图4得到的期望观测为 厂 一 r p Yp一 1 因此 观测模型为 zk 1l r h 2k 1Ik 其 中 k为观测获得时刻 为地 图和机器 人位姿的非线性函数 预 测模型和观测模型一起 共同描述 了E K F 的算法框架 之后可带入E K F 方程 即可完成机器人位置的实时解算 整个 定位解算 模块流程如图5所示 图5 定位解算模块流程 2 2 导航控制软件 巡检机器人进行例行巡检时 沿路径运 行的 导航控制实现方法可以参 考文献 4 该文献详细 描述 了巡检机器人的路径跟踪和停靠 点停靠 的详 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 匐 似 细算法流程 该算法流程主要 由机器人工控机上 的导航控制软件实现 另外导航控制软件针对机 器人如何快速到达操作区域这一 问题 采用扩展 弗洛伊德算法对变电站拓扑 网状图求解 以获得 机器人到达站 内指定区域的最短路径 算法流程 如下 1 对一个 有n个停靠 点的变 电站设 备巡视 路 线图G 将停 靠点 用n个 整数 从 1到n 进行 编 号 把G 的带权邻接矩阵w 作为距离矩阵的初值 即 D d W 2 第 1 步 构 造 D 其中 d m in d d01 是从 Vi到 的只 允许以 V 作为 中 间点 的路 径 中最短 路 长度 其 中 i j 相 邻 时 d j 否则d 下同 3 第 2 步 构 造 D d 蝴 其 中 d6 mi n dh dh J是从vi到v 的只允许以v 和v 作 为 中间点的路径中最短路长度 4 第 n 步 构 造 D d 其 中 d m i n d d d 是从vi 到 v1的只 允 许以 V1 V2 V 和作为中间点的路径中最短路长度 即 是从vi 到vi 中间可插入任何顶点的路径 中最短路 的 长度 因此D 即是距离矩阵 对 以上算法 进行分 析不难发现 在计算迭代 矩阵D 中的元素d 时 矩阵D 前面i 一 1行的元素和i 行前面j 1个元素已经全部计算出来 可以利用这 些新的元素来参与计算 加速迭代求解 迭代公 式变 为 m i n mi n d f m i n r r rf mi n d rk 0 m i n 1 b r j r f r j g f 同时每次迭代都需要判断 d5 mi n d d d 一般先求和再比 较 求和计算次数较多 如果dl d 或d 1 d 成 立 则 不 需 要 求 和比 较 即 可 判 断 d d5 1mi ni d d 否则再求和从而加快 了计算速度 通过 以上 最短路径计算方法 可 以离线计算 出变 电站 内任意两停靠点之 间的最短路径 当巡 检机器人需要到达站 内指定区域时 可 以首先在 地图上选取该区域需要停靠点 巡检机器人则通 过查询方式得 到其 需要运行的路径 最后导航控 制模块控制机器人沿该路径运行至指定区域 3现场测试 激 光导航重复定位精度是本文所述导航 系统 的一个重 要指标 也是 巡检机器人高质量完成巡 检任务 的基础保 障 为 测试巡检机器人激光导航 系统的重复定位精度 在500kV 变电站现场对系统 的重复定位精度进行 了测试 整个测试选在变电 站设备区进行 测试创建的变电站设备区地 图如 图6所示 图中绿色线为地 图创建时记录得到的机 器人运行轨迹 一 一 m 4一 图6 500kV 变 电站设备 区创建 的地 图 地 图创建完成后 在该地 图中选取一 点作为 机器人的停靠点 如图6红色十字标示所示 同 时设 定好机器人 在该 点停靠 时所应保持 的航 向 之 后 控制机器人从 不同方 向到达该点 并记录 其到达该 点时导航 系统输 出的位置和航 向数据 到的数据图如图7所示 审 6 1 25 6 1 26 6 27 6 28 6 1 29 6 1 3 6 1 3 1 6 1 32 61 33 6 1 34 m a j 矗 f 00 i t 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 O 数据点 个 fb 图7 激光导航定位重复精度测试数据 图7 a 为 机器人在设 定点重复三次停靠时 第36卷第1期2014 01 上 55 豹 鹅 甜 2 2 2 2 2 2 2 E 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 似 的记录得到 的位置数据散点 图 从 图中可 以看 出 记录得到的数据大部分在 2c m 误 差范 围 内 图 7 b 为机器人在该点停靠 时记录得到的航 向数 据 图中数据 波动 区域为机器人停靠时航 向调整 造成的 随着机器人停止调整 记录得到 的航 向 数据则基本稳 定 其航 向数据之 间的差值不超过 0 02rad 角度换算后约为 1 15 4结论 本文设计 了基于地 图匹配 的变 电站巡 检机器 人激光导航 系统 介绍了其 系统组 成结构 并 着 重对建 图定位软件 中的地图创建和定位 结算模块 的实现方法行 了设计 同时也对机器人导航控制 软件 中路径规划算法进行了探讨 通过变 电站现 场测试 本系统具有较高的重复定位精度 满足 巡检机器人对导航系统定位 精度的要求 最 后需 要说 明的是 目前本激光导 航系统 只在变 电站 内 小范 围内进行了测试 导航 系统在变 电站大范 围 长时 间导航运行的稳定性如何还需要今 后做进一 步的研究 参考文献 1鲁守银 钱庆林 张斌 等 变电站设备巡检机器人的研制 J 电力系统 自动化 2006 30 13 94 98 2 R ui G uo B i ngqi angLi Y uti an Sun and L ei H art A Patrol R obot for E l ec tri c Pow er Substati on C i n Proc 2009 IE E E Intern ati o nal C on on M ec h atro ni c san d A utom ati o n p p 55 59 3 Li Shengfang H ouX i ngzhe R esearc h on the A G V B ased R obot System U sed i n Substati on Inspec ti on C i n Proc 2 00 6 In tern ati on al C o nf o n P ow er S ystem T ec h no l og y p p 1 4 4 肖鹏 栾贻青 郭锐 等 变电站智能巡检机器人激光导航 系统 研究 J 自动化 与仪表 2012 5 5 9 5 Si c k A G LM S 1 1 1 O perati ng Instruc ti ons D B O L hup W W W si c k c o rn 6 G ri setti G Stac hni ss C B urgar d W Im proved tec hni ques fo r gri d m appi ng w i th raob1ac kw el l i zedparti c l efi 1ters J R oboti c s IEE E Transac ti ons on 2007 23 1 34 46 7 K ang J G C hoi W S A n S Y et a1 A ugm ented E K F based S L A M m etho d fo r i m prov i n g th e ac c urac y o f th e feature m ap C IE EE R SJ Intern ati onal