CN109031373B - 一种变电站巡检机器人导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站巡检机器人导航系统及方法，其中，该系统包括机器人本体和地面站；其中，所述地面站将差分信息传输给所述机器人本体；所述机器人本体将差分信息处理得到定位信息，所述机器人本体通过其自身提供虚拟位移信息和姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；所述机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；所述机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。本发明既具一定自主导航能力，又能大大的提高户外导航精度以及导航的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于变电站巡检机器人领域，尤其涉及一种变电站巡检机器人导航系统及方法。
背景技术
变电站智能巡检机器人具备自主导航、定位、充电、巡检功能，应用红外热成像和高清视频结合技术，精确监测变电站内各类仪表读数及设备的电流、电压致热现象，及时发现设备缺陷，提高设备巡视效率，将彻底取代人工巡检，更有效地保证设备巡视质量，提高工作效率，降低运行人员的工作强度，并集中解决恶劣天气下巡检难度和危险度大的问题，为无人值守变电站的推广应用提供创新的技术检测手段，进一步提高变电站巡检的可靠性和安全性。
目前，市面上主流巡检机器人导航户外定位方案有两种，一种是激光雷达导航系统，这种系统能够达到实用化的激光雷达价格偏高，低成本在户外会存在干扰较大难以单独满足要求；一种是RTK导航系统，这种系统并没有自主导航功能，一旦现场存在遮挡，可靠性就会很低，甚至会失去导航效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种变电站巡检机器人导航系统及方法，既具一定自主导航能力，又能大大的提高户外导航精度以及导航的稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种变电站巡检机器人导航系统，包括：机器人本体和地面站；其中，所述地面站将差分信息传输给所述机器人本体；所述机器人本体将差分信息处理得到定位信息，所述机器人本体通过其自身提供虚拟位移信息和姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；所述机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；所述机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述地面站包括基站无线网桥、服务器和基站RTK板；其中，基站RTK板所产生的差分信息通过所述服务器传输给所述基站无线网桥，所述基站无线网桥将差分信息传输给所述机器人本体。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述基站无线网桥通过网线与所述服务器相连，所述基站RTK板通过USB转串口与所述服务器相连。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述机器人本体包括板载电脑、移动站RTK板卡、激光雷达、交换机、驱动板、移动站无线网桥和IMU；其中，所述移动站无线网桥接收差分信息，并将差分信息通过交换机传输给所述板载电脑，所述板载电脑将差分信息写入所述移动站RTK板卡，所述移动站RTK板卡根据差分信息处理得到定位信息，并将定位信息传输给所述板载电脑；所述驱动板为所述板载电脑提供虚拟位移信息；所述IMU为所述板载电脑提供姿态信息；所述板载电脑将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；所述板载电脑采集激光雷达的极坐标信息，根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；所述板载电脑将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述移动站RTK板卡通过串口转USB线与板载电脑相连；所述IMU通过串口转USB线与板载电脑相连；所述驱动板通过交换机与板载电脑相连；所述激光雷达通过串口转USB线与板载电脑相连；所述移动站无线网桥通过网线与交换机相连。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述板载电脑将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图并根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息包括如下步骤：根据极坐标信息建立栅格地图；将栅格地图转化成障碍物深度图；根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
上述变电站巡检机器人导航系统中，所述机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息包括如下步骤：将第一测量航向信息设为状态值，然后将第二测量航向信息设为观察值并加入高斯噪声，根据卡尔曼滤波融合算法得到实时航向信息。
根据本发明的另一方面，还提供了一种变电站巡检机器人导航方法，所述方法包括如下步骤：将差分信息处理得到定位信息，将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
上述变电站巡检机器人导航方法中，将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息。
上述变电站巡检机器人导航方法中，根据极坐标信息建立栅格地图并根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息包括如下步骤：根据极坐标信息建立栅格地图；将栅格地图转化成障碍物深度图；根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
上述变电站巡检机器人导航方法中，将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息包括如下步骤：将第一测量航向信息设为状态值，然后将第二测量航向信息设为观察值并加入高斯噪声，根据卡尔曼滤波融合算法得到实时航向信息。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明既具一定自主导航能力，又能大大的提高户外导航精度以及导航的稳定性；
(2)本发明的激光雷达与RTK导航融合后提高了导航精度，稳定性更好、也将大大提高了巡检机器人户外适用性与实用性；
(3)本发明的机器人本体和地面站通过无线网桥的方式进行通信连接，这种局域网通讯方式具有可靠性高的特点，除了满足导航系统通讯外，又能兼容巡检机器人所需要的各种图传、数传、控制的通讯，模块拓展性好。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的变电站巡检机器人导航系统的框图；
图2是本发明实施例提供的卡尔曼滤波融合的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的变电站巡检机器人导航系统的框图。如图1所示，该变电站巡检机器人导航系统包括：机器人本体和地面站。其中，
地面站将差分信息传输给机器人本体；机器人本体将差分信息处理得到定位信息，机器人本体通过其自身提供虚拟位移信息和姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
如图1所示，地面站包括基站无线网桥8、服务器9和基站RTK板10；其中，基站无线网桥8通过网线与服务器9相连，基站RTK板10通过USB转串口与服务器9相连；基站RTK板10所产生的差分信息通过服务器9传输给基站无线网桥8，基站无线网桥8将差分信息传输给机器人本体。
如图1所示，机器人本体包括板载电脑1、移动站RTK板卡2、激光雷达3、交换机4、驱动板5、移动站无线网桥6和IMU7。其中，
移动站RTK板卡2通过串口转USB线与板载电脑1相连；IMU7通过串口转USB线与板载电脑1相连；驱动板5通过交换机4与板载电脑1相连；激光雷达3通过串口转USB线与板载电脑1相连；移动站无线网桥6通过网线与交换机4相连。
移动站无线网桥6接收差分信息，并将差分信息通过交换机4传输给板载电脑1，板载电脑1将差分信息写入移动站RTK板卡2，移动站RTK板卡2根据差分信息处理得到定位信息，并将定位信息传输给所述板载电脑1；驱动板5为板载电脑1提供虚拟位移信息；IMU7为板载电脑1提供姿态信息；板载电脑1将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；板载电脑1采集激光雷达3的极坐标信息，根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；板载电脑1将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
板载电脑1将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：
根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；
将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；
利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息。
激光雷达导航系统则是通过PC端采集激光雷达3的极坐标信息，建立栅格地图，并与实时生成的深度图匹配得到最终得到移动站的第二测量航向信息。具体步骤包括：根据极坐标信息建立栅格地图；将栅格地图转化成障碍物深度图；根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
上述第一测量航向信息与第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合，最终可以得到实时航向信息。算法具体步骤为：
1、确定状态的一步预测方程；
2、均方误差的一步预测；
3、滤波增益方程(权重)；
4、滤波估计方程(T时刻的最优值)；
5、滤波均方误差更新矩阵(T时刻的最优均方误差)。
将第一测量航向信息设为状态值，然后将第二测量航向信息设为观察值并加入高斯噪声，根据卡尔曼滤波融合算法得到实时航向信息。
本实施例还提供了一种变电站巡检机器人导航方法，该方法包括如下步骤：
将差分信息处理得到定位信息，将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；
根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；
将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息。
上述实施例中，将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：
根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；
将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；
利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息。
上述实施例中，根据极坐标信息建立栅格地图并根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息包括如下步骤：根据极坐标信息建立栅格地图；将栅格地图转化成障碍物深度图；根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
上述实施例中，将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息包括如下步骤：将第一测量航向信息设为状态值，然后将第二测量航向信息设为观察值并加入高斯噪声，根据卡尔曼滤波融合算法得到实时航向信息。
本实施例既具一定自主导航能力，又能大大的提高户外导航精度以及导航的稳定性；本实施例的激光雷达与RTK导航融合后提高了导航精度，稳定性更好、也将大大提高了巡检机器人户外适用性与实用性；本实施例的机器人本体和地面站通过无线网桥的方式进行通信连接，这种局域网通讯方式具有可靠性高的特点，除了满足导航系统通讯外，又能兼容巡检机器人所需要的各种图传、数传、控制的通讯，模块拓展性好。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种变电站巡检机器人导航系统，其特征在于包括：机器人本体和地面站；其中，
所述地面站将差分信息传输给所述机器人本体；
所述机器人本体将差分信息处理得到定位信息，所述机器人本体通过其自身提供虚拟位移信息和姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；
所述机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；
所述机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息；其中，
所述地面站包括基站无线网桥(8)、服务器(9)和基站RTK板(10)；其中，
所述基站RTK板(10)所产生的差分信息通过所述服务器(9)传输给所述基站无线网桥(8)，所述基站无线网桥(8)将差分信息传输给所述机器人本体；
所述机器人本体包括板载电脑(1)、移动站RTK板卡(2)、激光雷达(3)、交换机(4)、驱动板(5)、移动站无线网桥(6)和IMU(7)；其中，
所述移动站无线网桥(6)接收差分信息，并将差分信息通过交换机(4)传输给所述板载电脑(1)，所述板载电脑(1)将差分信息写入所述移动站RTK板卡(2)，所述移动站RTK板卡(2)根据差分信息处理得到定位信息，并将定位信息传输给所述板载电脑(1)；
所述驱动板(5)为所述板载电脑(1)提供虚拟位移信息；
所述IMU(7)为所述板载电脑(1)提供姿态信息；
所述板载电脑(1)将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；
所述板载电脑(1)采集激光雷达(3)的极坐标信息，根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；
所述板载电脑(1)将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息；
所述板载电脑(1)将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：
根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；
将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；
利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息；
所述机器人本体根据极坐标信息建立栅格地图并根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息包括如下步骤：
根据极坐标信息建立栅格地图；
将栅格地图转化成障碍物深度图；
根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
2.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人导航系统，其特征在于：所述基站无线网桥(8)通过网线与所述服务器(9)相连，所述基站RTK板(10)通过USB转串口与所述服务器(9)相连。
3.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人导航系统，其特征在于：所述移动站RTK板卡(2)通过串口转USB线与板载电脑(1)相连；所述IMU(7)通过串口转USB线与板载电脑(1)相连；所述驱动板(5)通过交换机(4)与板载电脑(1)相连；所述激光雷达(3)通过串口转USB线与板载电脑(1)相连；所述移动站无线网桥(6)通过网线与交换机(4)相连。
4.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人导航系统，其特征在于：所述机器人本体将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息包括如下步骤：将第一测量航向信息设为状态值，然后将第二测量航向信息设为观察值并加入高斯噪声，根据卡尔曼滤波融合算法得到实时航向信息。
5.一种变电站巡检机器人导航方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将差分信息处理得到定位信息，将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息；
根据极坐标信息建立栅格地图，根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息；
将第一测量航向信息和第二测量航向信息通过卡尔曼滤波融合得到实时航向信息；
将虚拟位移信息、姿态信息与定位信息通过融合算法得到当前移动站的第一测量航向信息包括如下步骤：
根据定位信息得到目前移动站移动的GPS航迹；
将虚拟位移信息与姿态信息相乘得到移动站移动轨迹；
利用最速下降的原理逼近GPS航迹和移动轨迹两个轨迹，直到迭代误差最小时得到第一测量航向信息；
根据极坐标信息建立栅格地图并根据栅格地图和极坐标信息得到当前移动站的第二测量航向信息包括如下步骤：
根据极坐标信息建立栅格地图；
将栅格地图转化成障碍物深度图；
根据极坐标信息，利用最小下降原理匹配障碍物深度图得到第二测量航向信息。
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