变电站智能巡检机器人激光导航系统研究

1、专题研究文章编号：1001-9944(2012)05-0005-05变电站智能巡检机器人激光导航系统研究肖鹏，栾贻青，郭锐，王明瑞，孙勇（山东电力研究院 国家电网电力机器人技术实验室，济南 250002）摘要：针对现有变电站智能巡检机器人导航定位方式的不足，将激光定位技术应用于巡检机器人导航， 设计了巡检机器人激光导航原型系统， 并在室外环境下对其进行了实验测试，实验结果表明，巡检机器人运行平稳，具有较高的导航控制精度。 另外，文中详细论述了巡检机器人激光导航系统实现过程中所涉及的激光定位及导航控制原理， 并给出了导航系统的硬件组成结构和软件执行流程。关键词：变电站；巡检机器人；激光导航中图分

2、类号：TP242.3 文献标志码：AResearch of the Laser Navigation System for the Intelligent Patrol RobotXIAO Peng，LUAN Yi-qing，GUO Rui，WANG Ming-rui，SUN Yong（Shandong Electric Power Research Institute，State Grid Electric Power Robotic Laboratory，Jinan 250002，China） Abstract：Aimed at the deficiency of the navigati

3、on system of the intelligent patrol robot，the laser positioning tech- nology was applied to the navigation of the robot，a prototype navigation system was designed，and an experimental test was made in the outdoor environment. Experiment test results show that the robot running was steady and thequali

4、ty of navigation was precise. In addition，the theory of laser positioning and navigation control involved in the laser navigation system was discussed in this paper，the hardware structure and software flow chart of the navigation system were also given out.Key words：substation；patrol robot；laser nav

5、igation 9 自动化与仪表 2012(5)变电站智能巡检机器人是一种室外轮式移动机器人，其可以携带可见光、红外等检测设备对室外变电站内设备进行全时段自主巡检1。 导航和定位是巡检机器人完全自主运行的关键，巡检机器人导航系统的性能直接决定了其完成巡检任务的质量。 目前，变电站现场运行的巡检机器人均采用磁轨迹引导配合 RFID 定位的导航定位方式， 该方式需要预先在机器人运行路线上埋设磁轨迹，并在机器人需要停靠的位置埋设 RFID 标签； 机器人运行过程中，机器人上的磁传感器阵列检测机器人运动中心相对于磁轨迹的偏移，通过运动控制器控制左右两轮差速， 从而使机器人沿设定路线运行；RFID 读卡

6、器则在检测到埋设在路径上的标签后通知机器人到达设定位置，此时机器人可在车载计算机控制下完成停靠、转向、加减速、设备检测等动作2。 该方式虽然具有导航定位重复精度高、抗干扰能力强等特点，但在实际使用中也面临一些问题，比如磁轨迹铺设时地面施工复杂工作量大、机器人运行路线不收稿日期：2011-09-19；修订日期：2011-11-29基金项目：山东电力研究院科研基金项目（KY2011-15）作者简介：肖鹏（1982），男，硕士，工程师，主要从事机器人导航控制、电机控制、嵌入式软件开发方面的研究。灵活、 机器人越障高度受限于磁传感器检测距离等，这些问题在现有方式下较难解决。针对以上问题，一些新的导航定

7、位方式被应用于巡检机器人导航，其中：文献3介绍了一种基于地面标志引导的巡检机器人单目视觉导航方法，其通过摄像机采集路面图像并从中提取引导线和停靠标志，使机器人沿设定路线运行和停靠，但未解决对于十字路口以及黑暗条件灯光照射下的导航问题，并且路面导航标志的污染势必会影响其导航定位性能；文献4给出了高精度差分 GPS 应用于巡检机器人导航的具体实施方式，探讨了 GPS 在变电站强电磁环境下所受干扰的特点与原因；文献5则提出了一种巡检机器人 DGPS/DR 组合导航方案，该方案中当 GPS 信号受干扰后就切换至 DR 导航，但是 GPS 和 DR 未进行有效的数据融合，导致切换至DR 导航时机器人导航

8、精度快速下降；文献6-7分别探讨了巡检机器人 GPS/DR 和 GPS/惯性组合导航中的数据融合方法，利用卡尔曼滤波对 GPS 和各传感器数据进行有效融合， 取得了良好的效果，但是这两种方法对 GPS 输出数据中定位精度指示延迟比较敏感，对 GPS 设备性能要求较高。目前，可用于室外机器人导航定位的方式除上述介绍之外还有超声波、激光、地图匹配和无线传感器网络等，由于巡检机器人运行需要厘米级导航定位精度，而激光导航具有定位设备成本低、可全时段工作、不受电磁干扰、定位精度高、无累积误差、地面附属设施施工简单等特点，因此特别适合于机器人的高精度导航定位。 鉴于已公开刊物中还未有激光导航在巡检机器人中

9、应用的相关文献，本文将其应用于巡检机器人，探讨了巡检机器人激光导航系统的组成结构及其在应用中涉及的原理方法， 利用 SICK 公司的 NAV200 系统开发了一个巡检机器人激光导航原型系统并进行了导航实验。1 巡检机器人激光导航系统原理1.1 激光定位原理实现巡检机器人激光导航的关键是通过激光传感器确定机器人在全局坐标系下的位置。 本文所述的激光定位是一种基于人工路标（简称“路标”， 下同）的定位方式，其一般利用旋转激光传感器检测环境中的路标，经三角几何计算就可得到传感器在全局坐标系下的位置和方向。 相关定位算法主要有三边测量法和三角测量法，三边测量法是通过测 量已知路标与机器人之间的距离来实

10、现机器人定 位，GPS 是该方法应用比较成功的例子，但该方法要求整个系统中存在一个高精度的时间基准以保证距 离测量的准确性，实施较困难；而三角测量法实施过 程相对简单，因此得到了广泛应用，激光定位也是利 用该方法实现，其定位原理如图 1 所示。路标 1YS路标 2XS21OSn路标 nYxOyX图 1 激光定位原理图Fig.1 Laser position principle图 1 中， 在所需定位环境中的固定位置安装 n（n3）个路标，并建立全局坐标系 XOY，各路标在 XOY 坐标系下的位置已知；以旋转激光传感器转动中心 OS 建立传感器坐标系 XSOSYS， 传感器每扫描一周就会得到被检

11、测到路标相对于 XS 轴的夹角 i（i=1，2，n）；检测到环境中至少 3 个路标后，经过迭代计算就可以得到传感器转动中心 OS 在全局坐标系 XOY 下的坐标（x，y）以及传感器坐标系 XS 轴与全局坐标系 X 轴之间的夹角 ， 其涉及的具体计算方法可参见文献8。1.2 导航控制原理根据文献4所述，由于变电站内巡检路线中的路径绝大多数为直线，机器人运行路径均可简化为直线路径，对于巡检路线中长距离转弯则可用几段直线路径代替，因此机器人导航控制就可归结为对机器人相对于当前运行路径的位置偏差 S 和航向偏差 的控制。 实际导航时，利用激光定位传感器实时输出的高精度定位数据，由机器人运动控制器处理后

12、闭环控制机器人左右两轮速度，使其始终沿着预先设定的巡检路线运行。巡检机器人导航控制原理如图 2 所示，激光定位传感器预先存储环境中所有路标在全局坐标系下的坐标值，机器人导航时，定位传感器自动将检测到的路标与存储的路标匹配，进而计算得到机器人位置航向信息。靠点 Pk（xP，yP）准确停靠，KP 可按如下方法确定：姨1dr姨偏差 S=0，0-位置航向偏差计算值 Sc，c运动控制 度 VL，VR量计算机器人位置航巡检机器人偏差 Sr，r位置航向 向（x，y，） 激光定位偏差计算传感器期望位置航向左右轮速实际位置航向KP =姨d/rdr姨姨0d d= 姨（y-yp）2+（x-xp）2（6）（7）图 2

13、 巡检机器人导航控制原理Fig.2 Navigation control principle of patrol robot巡检机器人导航过程中位置及航向偏差如图 3 所示，图中旋转激光传感器转动中心与机器人运动 中心重合， 传感器坐标系中的 x 轴与机器人纵轴重合，这样激光定位得到的坐标和方向即为机器人在 全局坐标系下的位置（x，y）和航向 。路标路标式中：d 为机器人当前位置与停靠位置之间的距离； r 为设定的停靠控制范围，如图 2 所示。 当机器人进入设定的停靠控制范围 r 后，机器人开始减速，待机器人停靠误差小于允许值 后，机器人停止运动。2 巡检机器人激光导航系统设计2.1 硬件系统

14、设计目前大部分激光定位应用受到系统中传感器工作环境温度、防护等级等条件限制，主要应用于室内环境。 随着技术的发展，适合室外应用的激光定位产品相继问世， 如 SICK 的 NAV300、Danaher Motion巡检机器人（x，y，）P1（x1，y1）Pk（xp，yp）rP2（x2，y2）Sd旋转激光传感器路径方向的LS5、GUIDANCE NAVIGATION 的 LSM-Navigator路标路标路标等。 本文开发的原型系统中， 激光定位部分使用了SICK 公司的 NAV200 系统，该系统由一台旋转激光传感器和若干反光路标组成；旋转激光传感器包含了激光发射装置、接收装置和计算单元，其路标

15、检测图 3 巡检机器人位置及航向偏差Fig.3 Position and bearing error of patrol robot如图 3 所示，已知全局坐标系 XOY 下路径起点P1（x1，y1）和终点 P2（x2，y2）， 由以下两式即可求得机器人与行驶路径的位置偏差 S 和航向偏差 4：的最远距离为 28.5 m，定位精度为25 mm，定向精度为0.1，数据输出频率为 8 Hz9。 虽然 NAV200 是一款室内型的激光定位系统，但之后的实验测试表明，在环境温度符合其工作要求的前提下，短时间的室外应用对其定位性能几乎不产生影响；另外，不论 （y2-y1）x-（x2-x1）y+（y1x2

16、-y2x1）S姨（y2-y1）2+（x2-x1）2（1）室内和室外应用，激光定位系统均通过旋转激光传感器检测周边 360二维平面内预先设置的路标来姨-tan-1 y2-y1x2-x1姨（2）计算其在全局坐标系下位置和方向，因此为了验证巡检机器人导航控制原理及系统工作性能，本文所式中：参与 计算的角度数据取值范围为0，360），S 和 的正负反映了巡检机器人相对于运行路径是偏右还是偏左。假定机器人运行速度为 V， 为了调整机器人运行姿态，可根据计算得到的 S 和 ， 分别乘以系数 KS 和 K（均为非负值，具体数值可由现场调试确定），就可得到机器人两轮的速度控制量增量VKSS+K （3）最终输出

17、给左右两轮的运行速度 VL 和 VR 分别为VL KP （V-V）（4）VR KP （V+V）（5）式中：乘以系数 KP 是为了保证机器人可以在设定停述激光导航原型系统以 NAV200 激光定位系统为基础进行开发。 巡检机器人运动控制器通过 RS232 接口与 NAV200 进行通信，一方面采集当前机器人实际运行速度并传送至 NAV200 供其定位计算使用， 另一方面接收 NAV200 输出的定位数据，根据后台监控计算机下发的导航任务控制机器人沿设定路线运行。 另外，运动控制器还将机器人导航运行数据， 通过无线方式回传至后台监控计算机。 巡检机器人激光导航系统的硬件组成如图 4 所示。2.2

18、软件系统设计软件系统由运动控制器软件和后台监控软件两部分组成。NAV200机器人运行速度（x，y，）导航运行数据无线通信 导航任务数据机器人运动控制器编码器反馈VLVR编码器反馈左轮电机右轮电机驱动器驱动器机器人后台监控计算机MM左轮左轮编码器电机右轮右轮导航控制开始接收导航任务数据Y结束机器人导航？N导航控制结束Y任务数据有效？N获取运行路径信息导航运行数据回传计算运行路径参数采集机器人运行速度获取NAV200定位数据Y定位数据有效？N位置和航向数据转换机器人停止运行位置和航向偏差计算导航运行数据回传机器人左右轮差速计算运动控制量下发执行导航运行数据回传Y未到达 路径终点？N电机编码器图 4

19、 导航系统硬件组成示意图Fig.4 Hardware structure of the navigation system运动控制器软件主要接收 NAV200 输出的定位数据，再结合后台监控计算机下发的导航任务数据，计算得到机器人相对于运行路径的位置偏差 S 和航向偏差 ，生成运动控制量下发至左右轮电机驱动器，以控制机器人沿路径运行。 在导航控制期间， 运动控制器先采集机器人运行速度并发送至NAV200， 之后 NAV200 则会将定位数据发送至运动控制器；运动控制器可根据获取数据中的定位状态标志， 判断 NAV200 定位数据是否有效， 如果NAV200 扫描路标小于 3 个或当前定位数据质

20、量太差，就控制机器人停止，以保证运行安全。 运动控制器软件执行流程如图 5（a）所示。 后台监控软件主要完成导航任务的生成，接收和存储运动控制软件上报的信息，实时监控机器人运行状态并进行异常处理等功能，其软件执行流程如图 5（b）所示。鉴于变电站内路径特点，巡检机器人执行导航任务时采用后台监控软件和机器人运动控制器相互配合方式完成：当巡检机器人运行至当前设定路径的终点就发送“机器人无路径运行”异常信息至后台监控软件，后台监控软件则将导航任务中的下一条路径数据发送至机器人运动控制器，两者相互配合完成整个巡检导航任务的运行。3 巡检机器人激光导航实验首先在室外环境中布置导航用路标，在全局坐标系下精

21、确测量各路标的位置坐标并存储至NAV200 系统； 然后通过后台监控计算机传送导航任务数据至机器人运动控制器，使机器人沿导航任务设定路线运行。 任务中机器人运行路线为矩形， 设定机器人在矩形的 4 个顶点 ABCD 处进行停靠，（a） 运动控制器软件流程监控程序开始机器人导航异常？N导航任务数据生成Y导航异常处理导航任务数据发送N接收导航运行数据监控程序结束？Y导航运行数据存储结束机器人导航监控程序结束（b） 后台监控软件流程图 5 导航系统软件流程图Fig.5 Software flow chart of the navigation system其坐标分别为 （0，0）（单位：mm， 下同

22、）、（3500，0）、（3500，4500） 和（4500，0）； 机器人每次到达停靠点后， 停靠延时一段时间原地转向至与下一条路径方向一致，再沿下一条路径运行。 机器人由 A 点出发依次沿各点循环运行，循环运行 5 次，后台监控计算机记录得到的导航运行数据曲线如图 6 所示。 实验中 KS、K 和 分别取 0.3、0.1 和 25 mm。6500Y 方向运行距离/（mm）55004500350025001500500-500-1500-20000200040006000X 方向运行距离/（mm）（a） 导航运行轨迹403020位置偏差 S/（mm）100-10-20-30-40-50-60-

23、70-80-901101 201 301 401 501采样点数/（个）（b） 位置偏差 S100航向偏差 /（）-10-20-30-40-50-60-70-80-90-1001101 201 301 401 501采样点数/（个）（c） 航向偏差 图 6 导航运行数据曲线Fig.6 Data curve of the navigation图 6（a）为实验过程中机器人的运行轨迹，图中圆圈所示为环境中路标位置，图 6（b）和（c）则为机器人运行时的位置偏差 S 和航向偏差 的数据曲线。 从图中可以看出实验中机器人的运行轨迹重合度较好，直线运行时位置偏差小于 15 mm，航向偏差可控制在 1.5

24、左右。 需要说明的是，由于 NAV200 系统激光传感器转动中心与机器人运动中心之间的安装误差、机器人原地转向控制精度以及原地转 向过程中轮胎与地面可能存在相对滑动等因素影 响， 机器人在原地转向后与下一条运行路径存在一定的偏差，如图 6（b）（c）中数据波动范围较大部分， 但这不影响机器人沿新路径的运行及停靠。4 结语本文详细论述了变电站智能巡检机器人激光导航系统的工作原理，开发了巡检机器人激光导航的原型系统。 实验结果表明，机器人沿导航任务设定路线运行平稳，具有较高的导航控制精度。 由于现有设备条件限制，激光导航原型系统开发过程中使用的是室内型激光定位系统，并在室外环境下进行了短时间实验测试，对于室外型激光定位系统如何使用、室外环境中的温湿度及气候变化等因素对导航系统会产生何种影响以及激光导航系统室外长时 间工作的稳定性等问题，本文还未做深入研究，这