CN104571103B - 一种变电站巡检机器人导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站巡检机器人导航定位方法，主要通过检测循迹导航灯在红外热像仪成像的位置，从而确定小车的移动方向，实现循迹的目的；在移动过程中要对机器人定位，主要通过水平旋转云台至定位导航灯在红外热像仪的成像位于中心，根据云台水平旋转的角度计算下一定点距离；而小车移动距离根据循迹导航灯在红外热像仪的成像大小计算得出，实现定位目的。

Description

一种变电站巡检机器人导航定位方法

技术领域

本发明主要涉及一种变电站巡检机器人导航定位方法。

背景技术

以往电力行业针对变电站室外设备的检修，一般是采用人工巡检作业方式。在高压、超高压及雨、雪、雾等恶劣气象条件下，不仅危害巡检人员的自身安全，同时对电网安全运行也带来一定隐患，经常是因无法及时了解设备出现的问题，而失去预先检修的机会。随着科技的进步，变电站巡检自动化程度有了很大的提高，机器人通过红外热像仪进行巡检已经得到广泛的应用，问题是机器人采用什么方法导航将直接影响到巡检效果，目前,变电站巡检机器人采用的导航方法有磁轨迹导航、惯性导航、GPS导航和视觉导航,磁轨迹导航在实际使用中发现,虽然其具有导引原理简单可靠,导航定位精度高并且重复性好,抗干扰能力强等优点,但该导航方式磁轨迹需要人工铺设,地面处理工作量大,路径灵活性差,同时磁轨迹导航方式不能实时反馈当前机器人在变电站内所处的精确位置,不利于操作；惯性导航需要在工作环境中安装无线信号收发装置，稳定性相对较差；GPS导航目前的精确度较低，其误差在2-5米以内，不能适应变电站安全的要求；视觉导航因其获得的信息量相对丰富，近年来越来越受到关注，但机器人在室外进行巡检工作，不可避免要受到光照强度变化和地面情况的影响，这就对机器人视觉导航的准确性产生了很大影响，同时视觉导航要在机器人所处的环境中安装立体摄像头，成本很高。因此目前的导航方法实施都比较复杂、成本相对较高，而且稳定性和精确尚不是很理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实施简单、稳定性好、成本较低的、精度较高的变电站巡检机器人导航定位方法。

本发明提供的这种变电站巡检机器人导航定位方法，包括以下步骤：

1)根据各待检设备位置设定机器人的巡检轨迹；

2)在巡检轨迹方向发生改变处于轨迹两端延长线上分别安装循迹导航灯，该循迹导航灯与巡检轨迹之间有一个设定距离，在巡检轨迹上按照各待检设备的巡检位置分别设置定点，对应各定点且与定点相距一定距离的位置分别安装定位导航灯；

3)若在直线轨迹上移动，检测循迹导航灯在红外热像仪上的成像位置，成像位置在中心，机器人直行，成像位置在左边，机器人移动向左转，成像位置在右边，机器人移动向右转；若在弯曲轨迹上移动，控制云台水平旋转角度配合机器人直线移动方式进行转弯。

4)通过循迹导航灯在红外热像仪上成像大小得知机器人与下一个循迹导航灯的距离D₀:

$D_0=P\·\frac{R_0}{R},$

其中R为导航灯实际半径，R₀为导航灯成像半径，P为实验测知的距离比例系数,该系数P是通过多次实际测量D₀、R、R₀计算出的平均值；

机器人到下一定点的距离L：

$L=\frac{d}{\tan \mathrm{\β}},$

其中d为定位导航灯与巡检轨迹之间的垂线距离，β为云台水平旋转至定位导航灯在红外热像仪中的成像位于中心位置的角度。

所述循迹导航灯和定位导航灯采用圆球形LED高温灯。

为了明确各导航灯的具体位置，所述循迹导航灯工作时表面的温度与各定位导航灯工作时表面的温度不同，各循迹导航灯之间工作时表面的温度相同，各定位导航灯之间工作时表面的温度不同，以代表不同位置。

为方便调节导航灯工作时表面的温度，循迹导航灯和定位导航灯都在额定电压下工作，串联不同值的电阻。

本发明利用灯光追踪与红外图像校准进行导航定位，通过检测循迹导航灯在红外热像仪成像的位置，确定小车的移动方向，实现循迹的目的；在移动过程中通过水平旋转云台至定位导航灯在红外热像仪的成像位于中心，根据云台水平旋转的角度计算下一定点距离；而小车移动距离根据循迹导航灯在红外热像仪的成像大小计算得出,实现定位目的。因此本发明方法能自动准确地为机器人导航定位，使机器人准确到达定点位置进行巡检作业。本发明与其他现有技术比较，具有不受电磁干扰影响，且导航定位精度高，误差在0.1米以内；成本低，无需外加其他传感设备；施工简单，只需安装几个导航灯即可循迹导航定位。

附图说明

图1是本发明实施方式一轨迹规划和导航灯安装分布图。

图2是红外热像仪中的成像大小与机器人距离分析图。

图3是本发明的机器人定位几何分析图。

图4是本发明实施方式二轨迹规划和导航灯安装分布图。

图中：1.循迹导航灯；2.定位导航灯；3.循迹轨迹；4.机器人起点

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施方式一：从图1可以看出在本实施方式中待检设备有四组，依据它们的位置确定机器人巡检轨迹为矩形，如图中虚线所示。接下来需要安装循迹导航灯和定位导航灯，首先确定安装位置，将矩形的巡检轨迹各边延长，延长长度可以设定为d，d值保证机器人到达巡检轨迹终端时，循迹导航灯在红外热像仪中的成像占用图像的2/3为佳，这个位置就是循迹导航灯1的安装位置，在本实施方式中安装了八盏循迹导航灯。巡检轨迹上对应各待检设备的位置为定点，在本实施方式中有四个定点，每个定点的旁边要安装一盏定位导航灯2，并且安装位置离定点距离同样可以设为d，机器人仅在定点处停止移动并进行巡检作业。

循迹导航灯1和定位导航灯2均采用圆球形LED高温灯，循迹导航灯1在额定功率下工作表面温度同为T₀，定位导航灯2工作时表面温度分别为T₁、T₂、T₃...T_n。为防止周围环境影响，循迹导航灯1和定位导航灯2的温度与周围环境温度有明显差异，循迹导航灯1与定位导航灯2之间以及各定位导航灯2之间温差尽可能大，不同的温度代表不同的位置。

图2反映了导航灯在红外热像仪的成像大小与机器人距离之间的关系为：

$D_0=P\·\frac{R}{R_0},$

其中D₀为机器人到导航灯之间的距离，R为导航灯的实际半径，R₀为导航灯在红外热像仪中的成像半径，P为实验测知的距离比例系数，由于不同的摄像头参数不同，可以通过多次实际测量D₀、R、R₀算出每次的D₀R₀/R所得的值,然后取平均值得到实验测知的距离比例系数P。

如图3所示，机器人与定位导航灯对应轨迹上的定点之间的距离L与云台水平旋转角度之间的关系：

$L=\frac{d}{\tan \mathrm{\β}},$

其中d为定位导航灯与轨迹之间的垂线距离，β为云台水平旋转至定位导航灯位于红外热像仪成像中心时的角度，L为机器人与导航灯对应在轨迹上的定点之间的距离。

在本实施方式中，有四条直线轨迹，轨迹与轨迹交接点为直角转弯，因此只包含直线移动方式。机器人移动过程中，如果循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于中心，机器人直线前进；如果成像位置在左边，机器人移动向左转，如果成像位置在右边，机器人移动向右转。

使用本发明方法具体操作时包括以下步骤：

1)机器人位于起点，复位云台至0°，使红外热像仪视角方向与小车方向一致；

2)调整小车姿态，使循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于图像中心；

3)水平旋转云台，使定位导航灯在红外热像仪的成像位于图像中心，根据云台旋转的角度β计算出离下一个定点的距离L:

$L=\frac{d}{\tan \mathrm{\β}},$

4)小车沿着巡检轨迹移动，记录移动的轨迹数；

5)通过直线移动方式保持机器人循迹前进；

6)根据循迹导航灯成像半径R，实时监测小车距离下一个循迹导航灯的距离D₀:

$D_0=P\·\frac{R_0}{R},$

已知各直线轨迹一端与另一端循迹导航灯之间的距离D₁、D₂、D₃、D₄，判断小车是否到达某个定点

D₀＝(D₁-L)or(D₂-L)、(D₃-L)、(D₄-L)

或到达方向即将改变处

D₀＝d；

7)当到达所述定点位置时，机器人开始巡检作业，完成后重复步骤2、3、4、5、6、7、8；

8)当小车到达方向改变处时，机器人小车向右旋转，寻找下一个循迹导航灯，重复步骤2、3、4、5、6、7、8，直到完成所有轨迹移动，小车返回起点。

实施方式二：当路径中存在弯曲轨迹时，循迹导航灯1与定位导航灯2的安装方法如图4，两条直线轨迹通过弯曲轨迹进行过渡，根据图中标记机器人起点4和移动方向，在每条直线轨迹的后端延长线上距离为d的位置安装一个循迹导航灯1，距离d确保循迹导航灯1未处于机器人移动轨迹上且尽可能使其在红外热像仪的成像占据2/3以上的成像面积。根据待检设备确定定点位置及数量后，定位导航灯安装直线轨迹旁边距离d₀处，如图4所示，保存各定点与前方循迹导航灯之间的距离D₁、D₂、D₃、D₄。

在本实施方式中，由于仅在直线轨迹一端安装有循迹导航灯1，因此机器人移动方向为单向循环。

在本实施方式中，循迹导航灯1和定位导航灯2均采用圆球形LED高温灯，循迹导航灯1在额定功率下工作表面温度同为T₀，定位导航灯2工作时表面温度为T₁、T₂、T₃、T₄，分别表示定点1、2、3、4。

机器人在移动过程中，实时检测与循迹导航灯1的距离:

$D_0=P\·\frac{R}{R_0},$

判断是否抵达定点位置或方向即将改变处。

在本实施方式中，移动轨迹包含直线轨迹和弯曲轨迹。在直线轨迹上，云台复位为0°，机器人移动并保持循迹导航灯1位于红外热像仪的成像中心，若偏左，机器人向左调整，若偏右，则向右调整。通过左右轮的差速控制机器人的调整姿态，改变差速比可控制灵敏度。当机器人即将到达弯曲轨迹时，云台水平旋转寻找下一个循迹导航灯1，即与弯曲轨迹连接的另一条直线轨迹后端延长线上的循迹导航灯1，使其位于红外热像仪成像中心。若向右转弯，则云台向左回转一个角度α，此时循迹导航灯1在红外热像仪中的成像偏右，机器人前进，当循迹导航灯1再次位于红外热像仪成像中心时，云台继续回转角度α，周而复始，直到云台水平角度为0°，循迹导航灯1位于红外热像仪成像中心时机器人完成转弯。其中角度α为可调变量，控制着机器人的转弯半径，α越大，转弯半径越小。

本实施方式的具体操作步骤如下：

1)机器人位于起点，复位云台至0°，使红外热像仪视角方向与小车方向一致；

2)调整小车姿态，使循迹导航灯1在红外热像仪中的成像位于图像中心；

3)根据当前的轨迹类型，机器人选取对应的控制方式移动，记录移动的轨迹数；

4)实时检测与循迹导航灯的距离D₀，并判断小车是否抵达定点

D₀＝D₁orD₂、D₃、D₄

或到达方向即将改变处

D₀＝d；

5)当到达所述定点位置时，机器人开始巡检作业，完成后重复步骤2、3、4、5、6；

6)当小车到达方向改变处时，轨迹数加1，通过查找预存的数据判断轨迹类型，若为弯曲轨迹，选取对应方式移动，重复步骤2、3、4、5、6，直到完成所有轨迹移动，小车返回起点。

本发明提供的这种变电站巡检机器人导航定位方法，主要基于红外热像仪与导航灯，尤其设计了导航灯成像大小与机器人之间距离的关系，实现了变电站巡检机器人快速、精确的循迹导航定位。

Claims (5)

1.一种变电站巡检机器人导航定位方法，包括以下特征：

1)根据各待检设备位置设定机器人的巡检轨迹；

2)在巡检轨迹方向发生改变处于轨迹两端延长线上分别安装循迹导航灯，该循迹导航灯与巡检轨迹之间有一个设定距离，在巡检轨迹上按照各待检设备的巡检位置分别设置定点，对应各定点且与定点相距设定距离的位置分别安装定位导航灯；

3)若在直线轨迹上移动，检测循迹导航灯在红外热像仪上的成像位置，成像位置在中心，机器人直行，成像位置在左边，机器人移动向左转，成像位置在右边，机器人移动向右转；若在弯曲轨迹上移动，控制云台水平旋转角度配合机器人直线移动方式进行转弯；

4)通过循迹导航灯在红外热像仪上成像大小得知机器人与下一个循迹导航灯的距离其中R为导航灯实际半径，R₀为导航灯成像半径，P实验测知的距离比例系数,该系数P是通过多次实际测量D₀、R、R₀计算出的平均值；机器人到下一定点的距离：其中d为定位导航灯与巡检轨迹之间的垂线距离，β为云台水平旋转至定位导航灯在红外热像仪中的成像位于中心位置的角度。

2.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人导航定位方法，其特征在于所述循迹导航灯和定位导航灯采用圆球形LED高温灯。

3.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人导航定位方法，其特征在于所述循迹导航灯工作时表面的温度与各定位导航灯工作时表面的温度不同，各循迹导航灯之间工作时表面的温度相同，各定位导航灯之间工作时表面的温度不同，以代表不同位置。

4.根据权利要求3所述的变电站巡检机器人导航定位方法，其特征在于所述循迹导航灯和定位导航灯都在额定电压下工作，串联不同值的电阻，用于方便调节导航灯工作时表面的温度。

5.根据权利要求1-4之一所述的变电站巡检机器人导航定位方法，其特征在于包括如下步骤：

1)机器人位于起点，复位云台至0°，使红外热像仪视角方向与小车方向一致；

2)调整小车姿态，使循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于图像中心；

3)水平旋转云台，使定位导航灯在红外热像仪的成像位于图像中心，根据云台旋转的角度β计算出离下一个定点的距离

4)小车沿着巡检轨迹移动，记录移动的轨迹数，并判断轨迹为直线轨迹或转弯轨迹；

4.1)在直线轨迹上，云台复位至0°，红外热像仪不断检测循迹导航灯，如果循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于中心，小车不改变方向继续移动；如果循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于左边，控制器给出小车左转的命令；如果循迹导航灯在红外热像仪中的成像位于右边边，控制器给出小车右转的命令；

4.2)在弯曲轨迹上，云台水平旋转，使轨迹另一端延长线上的循迹导航灯位于红外热像仪成像中心，向右转弯时，云台水平向左回转一个小角度，机器人按照直线移动方式前进，此时控制器控制小车右转，循迹导航灯位于红外热像仪成像中心后，云台继续左转相同角度，机器人前进，直到云台水平角度为0°，机器人完成右转；向左转弯时，云台水平向右回转一个小角度，机器人前进，循迹导航灯位于红外热像仪成像中心后，云台继续回转相同角度，直到云台水平角度为0°，机器人完成左转，其中回转角度为可调变量，用于控制机器人的转弯半径；

5)根据循迹导航灯成像半径R，得到小车距离下一个循迹导航灯的距离已知各定点与各循迹导航灯之间的距离，判断小车是否到达某个定点或到达方向即将改变处；

6)当到达所述定点位置时，机器人开始巡检作业，完成后重复步骤3、4、5、6、7；

7)当小车到达方向改变处时，机器人小车原地旋转，寻找下一个循迹导航灯，重复步骤2、3、4、5、6、7、8、9，直到完成所有轨迹移动，小车返回起点。