CN105573321B - 一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法 - Google Patents

一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，步骤包括：预先设计巡检轨迹，巡检轨迹由直线轨迹和弯道轨迹组成，布置用于激光测距的目标挡板；当巡检机器人沿直线轨迹行进时，以水平偏转角度控制巡检机器人沿着直线轨迹行进，且通过激光测距仪确定巡检位置以对变电站设备进行监控，且在完成该巡检位置的监控后继续行进；当沿着直线轨迹行进的偏移量为该直线轨迹的长度时，以巡检机器人的水平偏转角度控制巡检机器人沿着弯道轨迹行进，且在进入新的直线轨迹上时，继续沿着直线轨迹行进。本发明具有实施简单、稳定性好、成本较低、精度较高的优点。

Description

一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法
技术领域
本发明涉及电力系统，具体涉及一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法。
背景技术
目前电力系统变电站已基本实现了无人值守，国内一般都采用地面行进机器人进行巡检，获取变电设备可见光图像和红外热像数据并进行状态监测、分析的应用报道。机器人能够一定程度地解决设备自动巡检问题，但大多数变电站巡检机器人的巡检轨道一般多采用铺设磁轨的方式，铺设磁轨施工麻烦并且需要定期对轨道进行维护，成本较高，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。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种实施简单、稳定性好、成本较低、精度较高的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，步骤包括：
1)预先为巡检机器人设计巡检轨迹，所述巡检轨迹由多条直线轨迹和用于连接相邻直线轨迹的弯道轨迹组成，确定直线轨迹上巡检位置的偏移量，在直线轨迹的巡检方向结束端延长线上布置用于激光测距的目标挡板，在巡检机器人上布置激光测距仪；
2)当巡检机器人沿直线轨迹行进时，以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹行进，且通过激光测距仪及目标挡板检测巡检机器人在直线轨迹上的偏移量，如果该偏移量对应有巡检位置，则巡检机器人停下来对变电站设备进行监控，且在监控完毕后继续沿着直线轨迹行进；当沿着直线轨迹行进的偏移量为该直线轨迹的长度时，跳转执行步骤3)；
3)确定当前的直线轨迹沿巡检方向的弯道轨迹，以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹行进，且在巡检机器人通过激光测距仪及目标挡板检测到巡检机器人进入新的直线轨迹上时，跳转执行步骤2)。
优选地，所述步骤1)中还包括在直线轨迹的巡检方向起始端两侧各布置一个激光接收器、结束端延长线两侧各布置一个激光发射器，直线轨迹同一侧的激光接收器和激光发射器形成一对激光对射报警器；所述步骤2)当巡检机器人沿直线轨迹行进时，如果直线轨迹某一侧的激光接收器信号被巡检机器人阻挡，则增大巡检机器人该侧驱动机构的速度、减少巡检机器人另一侧驱动机构的速度，使得巡检机器人保持在直线轨迹内行进。
优选地，所述步骤1)中以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹行进时，具体是指以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量采用PID算法计算得到控制量，然后控制巡检机器人的左侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人的右侧的驱动机构行进速度减少控制量。
优选地，所述PID算法的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，uk为PID算法在第k步输出的控制量，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，kd为微分调节系数，ei为巡检机器人在第i步的水平偏转角度，ek为巡检机器人在第k步的水平偏转角度，ek-1为巡检机器人在第k-1步的水平偏转角度。
优选地，所述步骤3)中以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹行进时，具体是指以巡检机器人的水平偏转角度计算弯道轨迹的控制量，然后控制巡检机器人左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹外侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹内侧的驱动机构行进速度减少控制量。
优选地，所述计算弯道轨迹的控制量的函数表达式如式(2)所示；
V＝(R-r)α/2 (2)
式(2)中，V为弯道轨迹的速度增加量，R为弯道轨迹的外侧半径，r为弯道轨迹的内侧半径，α为巡检机器人的水平偏转角度。
本发明基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法具有下述优点：本发明预先为巡检机器人设计巡检轨迹，巡检轨迹由多条直线轨迹和用于连接相邻直线轨迹的弯道轨迹组成，确定直线轨迹上巡检位置的偏移量，布置用于激光测距的目标挡板及激光测距仪，沿着直线轨迹行进时，通过激光测距仪及目标挡板检测巡检机器人在直线轨迹上的偏移量，如果该偏移量对应有巡检位置，则巡检机器人停下来对变电站设备进行监控，且在监控完毕后继续沿着直线轨迹行进，沿着弯道轨迹行进时，以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹行进，且在巡检机器人通过激光测距仪及目标挡板检测到巡检机器人进入新的直线轨迹上时，能够实现巡检机器人在变电站的巡检导航，具有实施简单、稳定性好、成本较低、精度较高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中巡检轨迹的布局示意图。
图例说明：1、巡检轨迹；11、直线轨迹；12、弯道轨迹；2、巡检机器人；21、激光测距仪；3、目标挡板；
具体实施方式
如图1所示，本实施例基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法的步骤包括：
1)预先为巡检机器人2设计巡检轨迹1，参见图2，巡检轨迹1由多条直线轨迹11和用于连接相邻直线轨迹11的弯道轨迹12组成，确定直线轨迹11上巡检位置的偏移量，在直线轨迹11的巡检轨迹1方向结束端延长线上布置用于激光测距的目标挡板3，在巡检机器人2上布置激光测距仪21；
2)当巡检机器人2沿直线轨迹11行进时，以巡检机器人2的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人2的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹11行进，且通过激光测距仪21及目标挡板3检测巡检机器人2在直线轨迹11上的偏移量，如果该偏移量对应有巡检位置，则巡检机器人2停下来对变电站设备进行监控，且在监控完毕后继续沿着直线轨迹11行进；当沿着直线轨迹11行进的偏移量为该直线轨迹11的长度时，跳转执行步骤3)；
3)确定当前的直线轨迹11沿巡检方向的弯道轨迹12，以巡检机器人2的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人2的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹12行进，且在巡检机器人2通过激光测距仪21及目标挡板3检测到巡检机器人2进入新的直线轨迹11上时，跳转执行步骤2)。
本实例中，为了确切的知道巡检机器人2在巡检轨迹1中的实时位置，如图2所示，当巡检机器人2在行进时，巡检机器人2通过激光测距仪21给目标挡板3发射激光信号实时采集回巡检机器人2在直线轨迹11内的位置信息，确保巡检机器人2能够准确在巡检点停下来对站内设备进行监控。
为了进一步加强巡检机器人2一直在巡检轨迹1上行进，不脱离巡检轨迹1，参见图2，步骤1)中还包括在直线轨迹11的巡检轨迹1方向起始端两侧各布置一个激光接收器、结束端延长线两侧各布置一个激光发射器，直线轨迹11同一侧的激光接收器42和激光发射器41形成一对激光对射报警器；步骤2)当巡检机器人2沿直线轨迹11行进时，如果直线轨迹11某一侧的激光接收器42信号被巡检机器人2阻挡，则增大巡检机器人2该侧驱动机构(本实施例中具体为履带轮，此外也可以采用其他类型的驱动机构，例如车轮等)的速度、减少巡检机器人2另一侧驱动机构的速度，使得巡检机器人2保持在直线轨迹11内行进。通过激光对射报警器(激光接收器42和激光发射器41)搭建激光轨道，当巡检机器人2压住激光轨道的变沿线时，激光信号被挡，激光接收器42将接收不到激光发射器41发射而来的激光信号，从而给出报警信号，并通过网络传给巡检机器人2的控制器来调节左右驱动机构的速度，当左边激光轨道边沿线被挡住，减小右左驱动机构行驶速度，增大左驱动机构行驶速度，反之，当巡检机器人2压住轨道右边沿线，增大右驱动机构行驶速度，减小左驱动机构行驶速度，如此反复，将巡检机器人2一直保持在轨道内行进。需要说明的是，本实施例中直线轨迹11的巡检轨迹1方向起始端两侧各布置一个激光接收器42时，两个激光接收器42、两个激光发射器41之间的宽度(即直线轨迹11)为可调的，例如两个激光发射器41的底座是一个可以移动的关节，通过步进电机可以控制其移动，可以适当调节两个激光发射器41及激光轨道的宽度。
本实施例步骤1)中以巡检机器人2的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人2的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹11行进时，具体是指以巡检机器人2的水平偏转角度作为闭环反馈量采用PID算法计算得到控制量，然后控制巡检机器人2的左侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人2的右侧的驱动机构行进速度减少控制量。巡检机器人2启动时，巡检机器人2的陀螺仪返回的偏转角度为0，巡检机器人2的左右驱动机构的行驶速度相同。
本实施例中，PID算法的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，uk为PID算法在第k步输出的控制量，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，kd为微分调节系数，ei为巡检机器人在第i步的水平偏转角度，ek为巡检机器人2在第k步的水平偏转角度，ek-1为巡检机器人2在第k-1步的水平偏转角度。以uk为控制量，对巡检机器人2的左右驱动机构进行差速调节，如当巡检机器人2在巡检轨道左偏时，陀螺仪会返回一个负角度的偏差量ek给机器人控制器，机器人控制器对该偏差量|ek|进行PID算法得到控制量uk，以控制量uk为控制量使履带底盘左轮速度增加控制量uk，履带底盘右轮速度减少控制量uk。反之，当巡检机器人2向右偏时，陀螺仪返回一个正角度的偏差量ek给机器人控制器，同样经过PID算法得到控制量uk，进而控制履带底盘左轮速度减小控制量uk，右轮速度增加控制量uk。通过上述计算弯道轨迹12的速度增加量的函数表达式，能够确保巡检机器人2准确无误地在直线轨迹11中行进。
本实施例中，为了保证巡检机器人2能够正确通过弯道，当巡检机器人2进入弯道时，改变之前PLC对左右履带轮速度的控制方式：本实施例步骤3)中以巡检机器人2的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人2的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹12行进时，具体是指以巡检机器人2的水平偏转角度计算弯道轨迹12的控制量，然后控制巡检机器人2左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹外侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人2左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹内侧的驱动机构行进速度减少控制量，从而形成两倍控制量的差速使巡检机器人2在弯道内行驶。
本实施例中，计算弯道轨迹12的控制量的函数表达式如式(2)所示；
V＝(R-r)α/2 (2)
式(2)中，V为弯道轨迹12的速度增加量，R为弯道轨迹12的外侧半径，r为弯道轨迹12的内侧半径，α为巡检机器人2的水平偏转角度；通过上述计算弯道轨迹12的速度增加量的函数表达式，能够确保巡检机器人2准确无误地在弯道轨迹12中行进。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于步骤包括：
1)预先为巡检机器人设计巡检轨迹，所述巡检轨迹由多条直线轨迹和用于连接相邻直线轨迹的弯道轨迹组成，确定直线轨迹上巡检位置的偏移量，在直线轨迹的巡检方向结束端延长线上布置用于激光测距的目标挡板，在巡检机器人上布置激光测距仪；
2)当巡检机器人沿直线轨迹行进时，以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹行进，且通过激光测距仪及目标挡板检测巡检机器人在直线轨迹上的偏移量，如果该偏移量对应有巡检位置，则巡检机器人停下来对变电站设备进行监控，且在监控完毕后继续沿着直线轨迹行进；当沿着直线轨迹行进的偏移量为该直线轨迹的长度时，跳转执行步骤3)；
3)确定当前的直线轨迹沿巡检方向的弯道轨迹，以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹行进，且在巡检机器人通过激光测距仪及目标挡板检测到巡检机器人进入新的直线轨迹上时，跳转执行步骤2)。
2.根据权利要求1所述的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述步骤1)中还包括在直线轨迹的巡检方向起始端两侧各布置一个激光接收器、结束端延长线两侧各布置一个激光发射器，直线轨迹同一侧的激光接收器和激光发射器形成一对激光对射报警器；所述步骤2)当巡检机器人沿直线轨迹行进时，如果直线轨迹某一侧的激光接收器信号被巡检机器人阻挡，则增大巡检机器人该侧驱动机构的速度、减少巡检机器人另一侧驱动机构的速度，使得巡检机器人保持在直线轨迹内行进。
3.根据权利要求2所述的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述步骤1)中以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着直线轨迹行进时，具体是指以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量采用PID算法计算得到控制量，然后控制巡检机器人的左侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人的右侧的驱动机构行进速度减少控制量。
4.根据权利要求3所述的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述PID算法的函数表达式如式(1)所示；
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式(1)中，uk为PID算法在第k步输出的控制量，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，kd为微分调节系数，ei为巡检机器人在第i步的水平偏转角度，ek为巡检机器人在第k步的水平偏转角度，ek-1为巡检机器人在第k-1步的水平偏转角度。
5.根据权利要求4所述的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述步骤3)中以巡检机器人的水平偏转角度作为闭环反馈量分别控制巡检机器人的左右两侧的驱动机构沿着弯道轨迹行进时，具体是指以巡检机器人的水平偏转角度计算弯道轨迹的控制量，然后控制巡检机器人左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹外侧的驱动机构行进速度增加控制量、且控制巡检机器人左右两侧的驱动机构中位于弯道轨迹内侧的驱动机构行进速度减少控制量。
6.根据权利要求5所述的基于激光轨道的变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述计算弯道轨迹的控制量的函数表达式如式(2)所示；
V＝(R-r)α/2 (2)
式(2)中，V为弯道轨迹的速度增加量，R为弯道轨迹的外侧半径，r为弯道轨迹的内侧半径，α为巡检机器人的水平偏转角度。
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