CN111702763B - 一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，通过对多种感器技术实现环境特征的多方位提取，并结合环境目标识别、巡航环境综合分析判断等技术的实现机器人本体巡航精度、巡航安全性及巡航效率的提升，其技术要点包括：巡检机器人和重定位系统，将重定位系统内的多个监测装置采集的信息融合来判定巡检机器人的行径路线是否存在偏差，提高了开放式的变电站中的环境适应性，当发生严重意外，如机器人被盗或因为机器故障严重脱离轨迹时，可通过北斗系统及时定位机器人并做出响应，生成相应的报警或重新规划巡检机器人的行径轨迹。

Description

一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法

技术领域

本发明涉及变电站巡检领域，具体涉及一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国电网的快速发展，变电站数量急剧增加。与此同时，变电站值班员数量不足导致变电站的管理出现很多问题，目前采用智能机器人来辅助甚至取代人工对变电站设备进行巡检,可以有效的降低安全隐患,从而达到对设备进行更加可靠的巡检。

现阶段虽然机器人已在电力巡检方面有着比较广泛地应用，但是无线通信技术的不足让智能机器人在电力巡检工作中依然存在着一些问题，具体体现在以下方面，过于依赖激光雷达鲁棒性不足，当机器人发生劫持或者脱轨，无法实现在已知地图中的自主重定位功能，而需要人工介入，严重影响机器人的巡航效率。

发明内容

本发明通过北斗卫星定位系统与现有的多种定位技术进行融合，解决的技术问题是现有的变电站机器人巡检系统整体鲁棒性不足的问题，目的在于提供一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，解决了机器人过于依赖激光雷达定位造成的鲁棒性不足，且无法在地图中进行重定位并继续执行任务造成巡航效率低下的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统，包括：巡检机器人和重定位系统，所述巡检机器人沿指定路径对变电站的运行状态进行监测，所述重定位系统对脱离路径的巡检机器人重定位并重新规划其行进路径；所述重定位系统包括：北斗地基、双天线定位单元、惯性导航单元、里程计、双目立体视觉相机和激光雷达；

所述北斗地基设有系统基站，其用于观测并接收北斗系统卫星信号并增强基站周围5G信号，实现覆盖于变电站周围的高精度定位；

所述双天线定位单元装设有北斗模块，其通过北斗系统定位巡航机器人，并对巡航机器人的姿态实现姿态计算来获取巡航机器人运行的航向角和俯向角；

所述惯性导航单元，其用于测量巡检机器人行驶过程中各方向的加速度以及角速度，并获取角度变化量和位移变化量；

所述里程计用于获取巡检机器人的位移变化量以及航向角；

所述激光雷达通过采集点云数据用于构建地图并对巡检机器人定位；

所述双目立体视觉相机用于采集图片信息，构建3D地图与识别变电站特有标识，实现激光雷达与计算机视觉结合的VSLAM，并建立GIS便于实现对巡检机器人识别定位；

所述系统基站设有综合处理单元，所述综合处理单元用于融合并处理北斗卫星信号、双天线定位单元、惯性导航单元、里程计、激光雷达和双目立体视觉相机采集的信息，并将处理后的信息对比巡航机器人的位置与姿态，判定巡航机器人的位置与行进路线实现重定位，并将判定结果传递给系统基站。

所述双天线定位单元与北斗基站，通过卫星实时差分定位法与双天线定位单元结合来测量巡检机器人的位置与姿态传递给综合处理单元；所述惯性导航单元与里程计采集的信息结合，并将结合的信息传递给综合处理单元；所述双目立体视觉相机构建变电站3D地图并用激光雷达对3D地图数据进行修正并反馈给综合处理单元，在综合处理单元比对结合后采集的信息，通过自适应扩展卡尔曼滤波算法建立误差模型并输出位置与姿态的最优解。

所述巡检机器人设有报警装置和紧急停机装置，所述报警装置和紧急停机装置与北斗系统信号交互，报警装置在开放式的变电站中方便工作人员及时发现脱离轨道的巡检机器人，紧急停机装置用于避免巡检机器人驶入变电站中的危险区域。

于本方案中：重定位系统内的多个传感器来获取巡检机器人的位置、行进路线与状态，避免了因过分依赖单一激光或其他检查装置造成巡检机器人鲁棒性不足，其中双天线定位单元与北斗基站通过卫星实时差分定位法与双天线定位单元的特点结合来测量巡检机器人的位置与姿态，其中，里程计为脉冲计步里程计，惯性导航单元与脉冲计步里程计输出姿态与位置信息；双目立体视觉相机获取的信息包括：特定的标牌和变压器等装置，来获取实时位置与姿态数据，双目立体视觉相机构建变电站3D地图并用激光雷达对3D地图数据进行修正，实现激光雷达与计算机视觉结合的VSLAM，建立GIS实现可视化监测。以上得到的所有位置与姿态信息将进入综合处理单元中，通过自适应扩展卡尔曼滤波算法建立误差模型并输出位置与姿态的最优解，校准惯性导航单元与里程计产生的累计误差实现可靠的精准定位，在实现高精度定位后，减少了定位误差，降低了在巡检机器人因移动较快导致数据不同步，监测不到位无法及时修正路线，使巡检机器人发生脱轨的问题。可在误差可接受范围提高巡检机器人的巡航速度，减少变电站巡检机器人的投放数量，节约成本。

一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位方法，包括以下步骤；

S1：在北斗地基增加系统基站并与双天线定位单元一同构建高精度北斗定位系统，通过卫星实时局域差分定位法与双天线定位单元来测量巡检机器人的位置与姿态；

S2：通过惯性导航与里程计输出巡航机器人的姿态与位置信息；

S3：借助SLAM算法构建地图，在构建地图过程中对巡检机器人的位置与姿态进行坐标转换，让卫星定位输出巡检机器人在该地图中的相对位置；

S4：当巡检机器人处于工作状态，系统基站识别地图输出的相对位姿，将与其他传感器输出的位姿信息融合输出，并筛选最优位姿信息后，将最优位姿信息传输于惯性传感器与里程计，惯性传感器与里程计根据最优位姿信息调整巡检机器人行进路线；

S5：对比北斗系统输出的定位信息与其他传感器输出的定位信息，将输出差别过大或激光雷达特征点不足的情况生成报警信号，将巡航机器人视为遭劫持或发生脱轨并重新启动北斗系统，并对巡检机器人进行二次定位；

S51：在北斗系统二次定位后，调出变电站地图并判定巡检机器人位于地图内的位置；

S511：在变电站地图中设置危险限制区域；

S512：在北斗系统监测巡检机器人驶向危险限制区域时，北斗系统生成调停信息；

S513：当巡检机器人可通过规划路线前行避开危险限制区域时，则实时监测巡检机器人的行进路线；

S514：当巡检机器人无法通过重新规划路线避开危险限制区域时，则发送信号给巡检机器人的紧急调停装置，使巡检机器人关机停止运行；

S52：当巡检机器人位于地图内，则北斗系统将信息传递于惯性传感器与里程计并重新规划巡检机器人的行进路径；

S53：当巡检机器人位于地图外或无法按重规划路径行驶时，则启动报警请求人工协助。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，通过多种传感器技术实现环境特征的多方位提取，并结合环境目标识别、巡航环境综合分析判断等技术实现巡检机器人巡航精度、巡航安全性及巡航效率的提升，解决了机器人过于依赖激光雷达定位造成的鲁棒性不足，且无法在地图中进行重定位并继续执行任务的问题；

2、本发明一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，通过综合处理单元实现高精度定位，减少了定位误差，降低了在巡检机器人因移动较快导致数据不同步，监测不到位无法及时修正路线，使巡检机器人发生脱轨的问题。可在误差可接受范围提高巡检机器人的巡航速度，减少变电站巡检机器人的投放数量，节约成本；

3、本发明一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，通过报警装置和紧急停机装置的设定，使报警装置在开放式的变电站中方便工作人员及时发现脱离轨道的巡检机器人，紧急停机装置用于避免巡检机器人驶入变电站中的危险区域，提高了系统的安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明各装置采集信息处理流程图；

图2为本发明位姿定位流程图；

图3为本发明最优位姿识别流程图；

图4为本发明对巡检机器人重定位流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1、图2与图3所示，一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统及方法，包括：巡检机器人和重定位系统，巡检机器人沿指定路径对变电站的运行状态进行监测，重定位系统对脱离路径的巡检机器人重定位并重新规划其行进路径；重定位系统包括：北斗地基、双天线定位单元、惯性导航单元、里程计、双目立体视觉相机和激光雷达；

北斗地基设有系统基站，其用于观测并接收北斗系统卫星信号并增强基站周围5G信号，5G信号覆盖于变电站周围实现高精度定位；双天线定位单元装设有北斗模块，其通过北斗系统定位巡航机器人，并对巡航机器人的姿态实现姿态计算来获取巡航机器人运行的航向角和俯向角；以上双天线定位单元与北斗基站通过卫星事实差分定位法与双天线定位单元的特点结合来测量巡检机器人的位置与姿态。

惯性导航单元，其用于测量巡检机器人行驶过程中三轴的加速度以及角速度，并获取角度变化量和位移变化量；里程计用于获取巡检机器人的位移变化量以及航向角；以上里程计为脉冲计步里程计，惯性导航单元与脉冲计步里程计输出姿态与位置信息；

激光雷达通过采集点云数据用于构建地图并对巡检机器人定位；双目立体视觉相机用于采集图片信息，构建3D地图与识别变电站特有标识，以上双目立体视觉相机构建变电站3D地图并用，激光雷达对3D地图数据进行修正，实现激光雷达与计算机视觉结合的VSLAM，建立GIS实现可视化监测。

实现重定位并重新规划其行进路径实施步骤如下：

S1：在北斗地基增加系统基站并与双天线定位单元一同构建高精度北斗定位系统，通过卫星实时局域差分定位法与双天线定位单元来测量巡检机器人的位置与姿态；

S2：通过惯性导航与里程计输出巡航机器人的姿态与位置信息；

S3：借助SLAM算法构建地图，在构建地图过程中对巡检机器人的位置与姿态进行坐标转换，让卫星定位输出巡检机器人在该地图中的相对位置；

S4：当巡检机器人处于工作状态，系统基站识别地图输出的相对位姿，将与其他传感器输出的位姿信息融合输出，并筛选最优位姿信息后，将最优位姿信息传输于惯性传感器与里程计，惯性传感器与里程计根据最优位姿信息调整巡检机器人行进路线；

S5：对比北斗系统输出的定位信息与其他传感器输出的定位信息，将输出差别过大或激光雷达特征点不足的情况生成报警信号，将巡航机器人视为遭劫持或发生脱轨并重新启动北斗系统，并对巡检机器人进行二次定位。

如图1与图4所示，系统基站设有综合处理单元，综合处理单元用于融合并处理北斗卫星信号、双天线定位单元、惯性导航单元、里程、激光雷达和双目立体视觉相机采集的信息，并将处理后的信息对比巡航机器人的位置与姿态，判定巡航机器人的位置与行进路线，并将判定结果传递给系统基站，其中通过自适应扩展卡尔曼滤波算法建立误差模型并输出位置与姿态的最优解，校准惯性导航单元与里程计产生的累计误差实现可靠的精准定位，在实现高精度定位后，减少了定位误差，降低了在巡检机器人因移动较快导致数据不同步，监测不到位无法及时修正路线，使巡检机器人发生脱轨的问题。

对巡检机器人重定位的判定包括以下步骤：

S51：在北斗系统二次定位后，调出变电站地图并判定巡检机器人位于地图内的位置；

S52：当巡检机器人位于地图内，则北斗系统将信息传递于惯性传感器与里程计并重新规划巡检机器人的行进路径；

S53：当巡检机器人位于地图外或无法按重规划路径行驶时，则启动报警请求人工协助；

本方案优选的，巡检机器人设有报警装置和紧急停机装置，报警装置和紧急停机装置与北斗系统信号交互，报警装置在开放式的变电站中方便工作人员及时发现脱离轨道的巡检机器人，紧急停机装置用于避免巡检机器人驶入变电站中的危险区域。

因此对于巡检机器人的驶入限制区域紧急启停是非常重要的，于步骤S51中，优选以下步骤，

S511：在变电站地图中设置限制区域；

S512：在北斗系统监测巡检机器人驶向限制区域时，北斗系统生成调停信息；

S513：当巡检机器人可通过规划路线前行避开限制区域时，则实时监测巡检机器人的行进路线；

S514：当巡检机器人无法通过重新规划路线避开限制区域时，则发送信号给巡检机器人的紧急调停装置，使巡检机器人关机停止运行。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统，包括北斗系统，其特征在于，还包括：巡检机器人和重定位系统，所述巡检机器人沿指定路径对变电站的运行状态进行监测，所述重定位系统对脱离路径的巡检机器人重定位并重新规划其行进路径；所述重定位系统包括：北斗地基、双天线定位单元、惯性导航单元、里程计、双目立体视觉相机和激光雷达；

所述北斗地基设有系统基站，其用于观测并接收北斗系统卫星信号并增强基站周围5G信号，5G信号覆盖于变电站周围实现高精度定位；

所述双天线定位单元装设有北斗模块，其通过北斗系统定位巡检 机器人，并对巡检机器人的姿态实现姿态计算来获取巡检 机器人运行的航向角和俯向角；

所述惯性导航单元，其用于测量巡检机器人行驶过程中三轴的加速度以及角速度，并获取角度变化量和位移变化量；

所述里程计用于获取巡检机器人的位移变化量以及航向角；

所述激光雷达通过采集点云数据用于构建地图并对巡检机器人定位；

所述双目立体视觉相机用于采集图片信息，构建3D地图与识别变电站特有标识；

所述系统基站设有综合处理单元，所述综合处理单元用于融合并处理北斗卫星信号、双天线定位单元、惯性导航单元、里程计、激光雷达和双目立体视觉相机采集的信息，并将处理后的信息对比巡检 机器人的位置与姿态，判定巡检 机器人的位置与行进路线实现重定位，并将判定结果传递给系统基站；

所述双天线定位单元与北斗基站，通过卫星实时差分定位法与双天线定位单元结合来测量巡检机器人的位置与姿态传递给综合处理单元；

所述惯性导航单元与里程计采集的信息结合，并将结合的信息传递给综合处理单元；

所述双目立体视觉相机构建变电站3D地图并用激光雷达对3D地图数据进行修正并反馈给综合处理单元；

所述综合处理单元比对采集的信息，通过自适应扩展卡尔曼滤波算法建立误差模型并输出位置与姿态的最优解；

所述巡检机器人设有报警装置和紧急停机装置，所述报警装置和紧急停机装置与北斗系统信号交互。

2.一种基于北斗系统的变电站巡检机器人重定位系统的变电站巡检机器人重定位方法，包括步骤：

S1：在北斗地基增加系统基站并与双天线定位单元一同构建高精度北斗定位系统，通过卫星实时局域差分定位法与双天线定位单元来测量巡检机器人的位置与姿态；

S2：通过惯性导航与里程计输出巡检 机器人的姿态与位置信息；

S3：借助SLAM算法构建地图，在构建地图过程中对巡检机器人的位置与姿态进行坐标转换，让卫星定位输出巡检机器人在该地图中的相对位置；

S4：当巡检机器人处于工作状态，系统基站识别地图输出的相对位姿，将与其他传感器输出的位姿信息融合输出，并筛选最优位姿信息后，将最优位姿信息传输于惯性传感器与里程计，惯性传感器与里程计根据最优位姿信息调整巡检机器人行进路线；

S5：对比北斗系统输出的定位信息与其他传感器输出的定位信息，将输出差别过大或激光雷达特征点不足的情况生成报警信号，将巡检 机器人视为遭劫持或发生脱轨并重新启动北斗系统，并对巡检机器人进行二次定位；

S51：在北斗系统二次定位后，调出变电站地图并判定巡检机器人位于地图内的位置；

S511：在变电站地图中设置限制区域；

S512：在北斗系统监测巡检机器人驶向限制区域时，北斗系统生成调停信息；

S513：当巡检机器人可通过规划路线前行避开限制区域时，则实时监测巡检机器人的行进路线；

S514：当巡检机器人无法通过重新规划路线避开限制区域时，则发送信号给巡检机器人的紧急调停装置，使巡检机器人关机停止运行；

S52：当巡检机器人位于地图内，则北斗系统将信息传递于惯性传感器与里程计并重新规划巡检机器人的行进路径；

S53：当巡检机器人位于地图外或无法按重规划路径行驶时，则启动报警请求人工协助。

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