CN106324619A - 一种变电站巡检机器人自动避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站巡检机器人自动避障方法。采用激光雷达扫描巡检机器人周边障碍物信息，再通过红外温度传感器判断障碍物类别。如果障碍物为人或动物，巡检机器人向人示意离开或是驱散动物，此时不需要躲避障碍物。若障碍物依然在巡检机器人设定路线上，巡检机器人执行避障操作。按照“时间距离”，即巡检机器人到达障碍物所用时间，来划分障碍物优先级。按照设定行驶规则，巡检机器人靠右行驶。遇到障碍物后，巡检机器人从障碍物左侧顺时针沿障碍物运动，到达障碍物前方后结束避障操作。若从左侧无法绕过障碍物，巡检机器人则尝试从障碍物右侧逆时针方向绕过障碍物。本发明不易受温度和可见光干扰，距离和方位信息探测精度更高。

Description

一种变电站巡检机器人自动避障方法

技术领域

本发明涉及自动避障，尤其是涉及一种变电站巡检机器人自动避障方法。

背景技术

变电站设备巡检机器人以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等设备异常现象。可以根据操作人员在基站的任务操作或预先设定的任务，自动进行变电站内的全局路径规划，通过携带的各种传感器，完成变电站设备的图像巡检、设备仪表的自动识别、一次设备的红外检测等，并记录设备信息，提供异常报警。

在变电站巡检机器人相关技术研究中，避障技术属于其核心技术，是实现智能化自主移动的关键技术。目前常见的避障方式主要依靠超声波传感器或红外传感器感知障碍物以实现避障。存在着传感器数目少，避障方案单一，效率低的问题。同时传统避障装置未考虑环境温度对超声波传播速度的影响，设置单一的超声波传播速度存在误差；红外传感器易受可见光干扰，影响避障精度和可靠性。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种避障精度高和稳定性好的变电站巡检机器人避障方法及系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，判断是否需要避障：具体是识别障碍物的类别，区分生物和非生物，并根据识别结果执行以下步骤：

当识别结果显示障碍物为生物时，发出警告，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物；若人或动物离开，巡检机器人不进行避障操作，执行步骤2；

若障碍物依然在巡检机器人设定路线上，影响巡检机器人正常作业，巡检机器人执行避障操作；执行步骤2；

步骤2，进行模式切换，即由导航模式切换至避障模式，或由避障模式切换至导航模式，所述导航模式是在正常情况下，巡检机器人按照导航系统设定的路线进行巡检工作，具体是：

在当识别出前方有障碍物，发出警告，障碍物离开后，继续进行导航模式；

在当识别出前方有障碍物，发出警告，障碍物依然在巡检机器人设定路线上，导航模式关闭，巡检机器人不再按照原设定路线行驶，进入避障模式；

当巡检机器人避开障碍物后，重新开启导航模式，进行路线矫正，重新回到原设定路线上；

步骤3，进行障碍物优先级划分，具体是按照时间距离T，即巡检机器人到达障碍物所用时间，来划分障碍物优先级；时间距离T越小，避障优先级越高；巡检机器人优先躲避级别高的障碍物，具体是：

车载激光雷达发射激光束，遇到障碍物后返回，记下初发射时刻t₁，遇到障碍物后返回，接收端接收到返回的激光束后，记下接收时刻t₂，由发射到接收所用时间计算出巡检机器人到障碍物的距离ρ₁，

$\mathrm{\ρ}\frac{1}{2}\×(t_2-t_1)\×c\left(m\right)---1-1$

c为真空中光速，这里取值为2.9979×10⁸m/s；

以巡检机器人所在位置为原点，车头正前方为θ＝90°方向，建立极坐标系；记下发射超声波时刻云台的旋转角度θ₁，该时刻障碍物的位置信息为(ρ₁，θ₁)；激光雷达云台每隔100ms旋转一周，第二次测得的同一障碍物的位置信息为(ρ₂，θ₂)；考虑到变电站巡检机器人的运动速度远远小于光速，在100ms时间间隔内机器人的位移忽略不计，则以巡检机器人为圆心，障碍物(i)的法向速度v_i如下：

$v_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i2}-{\mathrm{\ρ}}_{i1}}{\mathrm{\Δ}t}(m/s)---1-2$

Δt为相邻两次发射激光束的时间间隔，这里取值为100ms；障碍物以v_i的法向速度，沿θ₁到θ₂方向朝巡检机器人运动；

步骤4，确定障碍物的位置和大小，避开障碍物；正常情况下，巡检机器人靠右行驶；遇到障碍物后，从障碍物左侧顺时针沿障碍物运动，到达障碍物前方后结束避障操作；若从左侧无法绕过障碍物，巡检机器人则从障碍物右侧逆时针方向绕过障碍物。

在上述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，所述步骤1中，识别生物和非生物的具体方法为：

巡检机器人携带红外温度传感器，识别周围物体的温度；哺乳类动物和鸟类动物体温恒定，大约在37℃左右；红外温度传感器识别出人或动物阻碍巡检机器人运动后，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物；当障碍物离开后，巡检机器人按原设定路线继续巡视；

在上述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，所述步骤3中，

当激光雷达同时发现多个障碍物时，优选主要目标进行监控；设定有效监控半径R₂＝10m，距离巡检机器人超过10m的障碍物目标不监控；同时设定核心监控半径R₁＝2m，重点监控核心半径内的障碍物目标；对于重点监控半径内的障碍物，优先躲避距离最近的障碍物；

巡检机器人以不同速度向障碍物行驶的危险程度不同，本发明定义“时间距离”T，将不同速度接近障碍物的情况统一起来；v_o表示巡检机器人的运动速度，v₁表示障碍物1向巡检机器人运动的法向速度(计算方法见公式1-2)，ρ₁表示巡检机器人到障碍物1的距离，T₁表示巡检机器人到障碍物的时间距离，T₁的计算方法如下：

$T_1\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{v_0+v_1}\left(s\right)---1-3$

当障碍物靠近巡检机器人时，v_i取正值；当障碍物远离巡检机器人时，v_i取负值；按照时间距离由小到大依次排序，设定时间距离最小的躲避优先级最高，当同时存在多个障碍物时，首先躲避优先级高的障碍物。

在上述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，所述步骤3中，当巡检机器人开始执行避障后，如果巡检机器人到各障碍物的时间距离发生变化，按照新的时间距离大小关系设定新的优先级来躲避障碍物。

在上述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，所述步骤4中，绕过障碍物的路线规划为：

激光雷达实时探测巡检机器人到障碍物的距离d，巡检机器人以d＝30cm的弧线绕障碍物运动；当避障通道狭窄，不满足d＝30cm时，从d＝30cm逐渐减小d直至符合通道条件，d的最小值d_min＝10cm；具体步骤如下：

首先测量左侧通道宽度d_左，如图2；由余弦定理得

设巡检机器人车身宽度为W，当d_左≥W+d_min时，巡检机器人从障碍物左侧顺时针绕过障碍物，如图4；

若d_左＜W+d_min时，测量右侧通道宽度d_右，如图3；若同时d_右≥W+d_min，巡检机器人从障碍物右侧逆时针绕过障碍物；

若d_左＜W+d_min且d_右＜W+d_min时，巡检机器人发出报警信号，请求变电站工作人员清理路障。

因此，本发明具有如下优点：1.采用激光雷达扫描巡检机器人周边障碍物信息，和超声波传感器和红外传感器等传感器相比，不易受温度和可见光干扰，距离和方位信息探测精度更高；2.首先判断障碍物类别，当障碍物为人和动物时，通过灯光信号提示人离开或驱散动物，此时巡检机器人不需要避障，避免对正常作业的干扰；3.提出时间距离的概念，相比空间距离还可以反应出巡检机器人相对障碍物速度信息，方便设定避障优先级，提高避障效率和精度。

附图说明

图1是巡检机器人激光雷达监控障碍物的示意图。

图2是巡检机器人测量左侧通道宽度的示意图。

图3是巡检机器人测量右侧通道宽度的示意图。

图4是巡检机器人从障碍物左侧躲避路障的示意图。

图5是本发明的一种工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。

第一步：判断是否需要避障。本发明中巡检机器人在进行自动避障前，首先判断障碍物的类别，区分生物和非生物，决定是否需要躲避。当识别结果显示障碍物为生物时，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物。若人或动物离开，巡检机器人不进行避障操作；若障碍物依然在巡检机器人设定路线上，影响巡检机器人正常作业，巡检机器人执行避障操作。识别生物和非生物的具体方法为：

在变电站中，人或动物可能会处于巡检机器人巡检路线上，影响巡检机器人工作。巡检机器人携带红外温度传感器，识别周围物体的温度。哺乳类动物和鸟类动物体温恒定，大约在37℃左右。红外温度传感器识别出人或动物阻碍巡检机器人运动后，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物。当障碍物离开后，巡检机器人按原设定路线继续巡视。

第二步：导航模式和避障模式切换。正常情况下，巡检机器人处于导航模式，即按照导航系统设定的路线进行巡检工作；当识别出前方有障碍物需要避障时，导航模式关闭，巡检机器人不再按照原设定路线行驶，进入避障模式；当巡检机器人避开障碍物后，重新开启导航模式，进行路线矫正，重新回到原设定路线上。再次遇到障碍物则重复上述操作。

导航系统为独立的功能模块，不在本发明的说明范围内。

第三步：障碍物优先级划分。

巡检机器人进入避障模式后，首先识别障碍物是运动物体还是静止物体，若是运动物体则计算物体的运动速度。具体方法如下：

车载激光雷达发射激光束，遇到障碍物后返回，记下发射时刻，遇到障碍物后返回，接收端接收到返回的激光束后，记下接收时刻t₂，由发射到接收所用时间计算出巡检机器人到障碍物的距离ρ₁，

$\mathrm{\ρ}\frac{1}{2}\×(t_2-t_1)\×c\left(m\right)---1-1$

c为真空中光速，这里取值为2.9979×10⁸m/s。

以巡检机器人所在位置为原点，车头正前方为θ＝90°方向，建立极坐标系。记下发射超声波时刻云台的旋转角度θ₁，该时刻障碍物的位置信息为(ρ₁，θ₁)。激光雷达云台每隔100ms旋转一周，第二次测得的同一障碍物的位置信息为(ρ₂，θ₂)。考虑到变电站巡检机器人的运动速度远远小于光速，在100ms时间间隔内机器人的位移忽略不计，则以巡检机器人为圆心，障碍物(i)的法向速度v_i如下：

$v_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i2}-{\mathrm{\ρ}}_{i1}}{\mathrm{\Δ}t}(m/s)---1-2$

Δt为相邻两次发射激光束的时间间隔，这里取值为100ms。障碍物以v_i的法向速度，沿θ₁到θ₂方向朝巡检机器人运动。

进一步的，激光雷达可同时发现多个障碍物。为了减轻处理器运算量，提高工作效率，优选主要目标进行监控。设定有效监控半径R₂＝10m，距离巡检机器人超过10m的障碍物目标不监控。同时设定核心监控半径R₁＝2m，重点监控核心半径内的障碍物目标。对于重点监控半径内的障碍物，优先躲避距离最近的障碍物。

巡检机器人以不同速度向障碍物行驶的危险程度不同，本发明定义“时间距离”T，将不同速度接近障碍物的情况统一起来。v_o表示巡检机器人的运动速度，v₁表示障碍物1向巡检机器人运动的法向速度(计算方法见公式1-2)，ρ₁表示巡检机器人到障碍物1的距离，T₁表示巡检机器人到障碍物的时间距离，T₁的计算方法如下：

$T_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{v_0+v_1}\left(s\right)---1-3$

具体的，当障碍物靠近巡检机器人时，v_i取正值；当障碍物远离巡检机器人时，v_i取负值。

按照上述规则，进行障碍物优先级划分。例如，障碍物1、障碍物2、障碍物3的时间距离分别为T₁、T₂、T₃，T₁＜T₂＜T₃。则障碍物1的躲避优先级为1，障碍物2的躲避优先级为2，障碍物3的躲避优先级为3。当同时存在多个障碍物时，首先躲避优先级高的障碍物。

进一步的，当巡检机器人开始执行避障后，如果巡检机器人到各障碍物的时间距离发生变化，按照新的时间距离大小关系设定新的优先级来躲避障碍物。

本发明设定时间距离T＝5s为减速临界值，T＝2s为紧急停车临界值。当时间距离T<5s时，电机通过脉冲宽度调制减速至0.4m/s。使用方可根据变电站具体场地环境调整上述速度值。

第四步，确定障碍物的位置和大小，避开障碍物。正常情况下，巡检机器人靠右行驶。遇到障碍物后，从障碍物左侧顺时针沿障碍物运动，到达障碍物前方后结束避障操作。若从左侧无法绕过障碍物，巡检机器人则尝试从障碍物右侧逆时针方向绕过障碍物。

绕过障碍物的路线规划为：激光雷达实时探测巡检机器人到障碍物的距离d，巡检机器人以d＝30cm的弧线绕障碍物运动。当避障通道狭窄，不满足d＝30cm时，从d＝30cm逐渐减小d直至符合通道条件，d的最小值d_min＝10cm。具体步骤如下：

首先测量左侧通道宽度d_左，如图2。由余弦定理得

设巡检机器人车身宽度为W，当d_左≥W+d_min时，巡检机器人从障碍物左侧顺时针绕过障碍物，如图4。

若d_左＜W+d_min时，测量右侧通道宽度d_右，如图3。若同时d_右≥W+d_min，巡检机器人从障碍物右侧逆时针绕过障碍物。

若d_左＜W+d_min且d_右＜W+d_min时，巡检机器人发出报警信号，请求变电站工作人员清理路障。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，判断是否需要避障：具体是识别障碍物的类别，区分生物和非生物，并根据识别结果执行以下步骤：

当识别结果显示障碍物为生物时，发出警告，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物；若人或动物离开，巡检机器人不进行避障操作，执行步骤2；

若障碍物依然在巡检机器人设定路线上，影响巡检机器人正常作业，巡检机器人执行避障操作；执行步骤2；

步骤2，进行模式切换，即由导航模式切换至避障模式，或由避障模式切换至导航模式，所述导航模式是在正常情况下，巡检机器人按照导航系统设定的路线进行巡检工作，具体是：

在当识别出前方有障碍物，发出警告，障碍物离开后，继续进行导航模式；

在当识别出前方有障碍物，发出警告，障碍物依然在巡检机器人设定路线上，导航模式关闭，巡检机器人不再按照原设定路线行驶，进入避障模式；

当巡检机器人避开障碍物后，重新开启导航模式，进行路线矫正，重新回到原设定路线上；

步骤3，进行障碍物优先级划分，具体是按照时间距离T，即巡检机器人到达障碍物所用时间，来划分障碍物优先级；时间距离T越小，避障优先级越高；巡检机器人优先躲避级别高的障碍物，具体是：

车载激光雷达发射激光束，遇到障碍物后返回，记下初始时刻时间t₁，遇到障碍物后返回，接收端接收到返回的激光束后，记下接收时间t₂，由发射到接收所用时间计算出巡检机器人到障碍物的距离ρ₁，

$\mathrm{\&rho;}=\frac{1}{2}\&times;(t_2-t_1)\&times;c\left(m\right)---1-1$

c为真空中光速，这里取值为2.9979×10⁸m/s；

以巡检机器人所在位置为原点，车头正前方为θ＝90°方向，建立极坐标系；记下发射超声波时刻云台的旋转角度θ₁，该时刻障碍物的位置信息为(ρ₁，θ₁)；激光雷达云台每隔100ms旋转一周，第二次测得的同一障碍物的位置信息为(ρ₂，θ₂)；考虑到变电站巡检机器人的运动速度远远小于光速，在100ms时间间隔内机器人的位移忽略不计，则以巡检机器人为圆心，障碍物(i)的法向速度v_i如下：

$v_i=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{i2}-{\mathrm{\&rho;}}_{i1}}{\mathrm{\&Delta;}t}(m/s)---1-2$

Δt为相邻两次发射激光束的时间间隔，这里取值为100ms；障碍物以v_i的法向速度，沿θ₁到θ₂方向朝巡检机器人运动；

步骤4，确定障碍物的位置和大小，避开障碍物；正常情况下，巡检机器人靠右行驶；遇到障碍物后，从障碍物左侧顺时针沿障碍物运动，到达障碍物前方后结束避障操作；若从左侧无法绕过障碍物，巡检机器人则从障碍物右侧逆时针方向绕过障碍物。

2.根据权利要求1所述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，所述步骤1中，识别生物和非生物的具体方法为：

巡检机器人携带红外温度传感器，识别周围物体的温度；哺乳类动物和鸟类动物体温恒定，大约在37℃左右；红外温度传感器识别出人或动物阻碍巡检机器人运动后，车载红灯闪烁，向人示意离开或是驱散动物；当障碍物离开后，巡检机器人按原设定路线继续巡视。

3.根据权利要求2所述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，所述步骤3中，

当激光雷达同时发现多个障碍物时，优选主要目标进行监控；设定有效监控半径R₂＝10m，距离巡检机器人超过10m的障碍物目标不监控；同时设定核心监控半径R₁＝2m，重点监控核心半径内的障碍物目标；对于重点监控半径内的障碍物，优先躲避距离最近的障碍物；

巡检机器人以不同速度向障碍物行驶的危险程度不同，定义时间距离T，将不同速度接近障碍物的情况统一起来；v_o表示巡检机器人的运动速度，v₁表示障碍物1向巡检机器人运动的法向速度，法向速度计算方法见公式1-2，ρ₁表示巡检机器人到障碍物1的距离，T₁表示巡检机器人到障碍物的时间距离，T₁的计算方法如下：

$T_1=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{v_0+v_1}\left(a\right)---1-3$

当障碍物靠近巡检机器人时，v_i取正值；当障碍物远离巡检机器人时，v_i取负值；按照时间距离由小到大依次排序，设定时间距离最小的躲避优先级最高，当同时存在多个障碍物时，首先躲避优先级高的障碍物。

4.根据权利要求1所述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，所述步骤3中，当巡检机器人开始执行避障后，如果巡检机器人到各障碍物的时间距离发生变化，按照新的时间距离大小关系设定新的优先级来躲避障碍物。

5.根据权利要求1所述的一种电变电站巡检机器人自动避障方法，其特征在于，所述步骤4中，绕过障碍物的路线规划为：

激光雷达实时探测巡检机器人到障碍物的距离d，巡检机器人以d＝30cm的弧线绕障碍物运动；当避障通道狭窄，不满足d＝30cm时，从d＝30cm逐渐减小d直至符合通道条件，d的最小值d_min＝10cm；具体步骤如下：

首先测量左侧通道宽度d_左，如图2；由余弦定理得

设巡检机器人车身宽度为W，当d_左≥W+d_min时，巡检机器人从障碍物左侧顺时针绕过障碍物，如图4；

若d_左＜W+d_min时，测量右侧通道宽度d_右，如图3；若同时d_右≥W+d_min，巡检机器人从障碍物右侧逆时针绕过障碍物；

若d_左＜W+d_min且d_右＜W+d_min时，巡检机器人发出报警信号，请求变电站工作人员清理路障。