CN111983631A - 一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，系统包括：蛇形电力巡检机器人定位装置、定位专用关节和射频发射系统，其中，所述定位专用关节设置在蛇形电力巡检机器人上；所述蛇形电力巡检机器人定位装置设置于所述定位专用关节内部；所述射频发射系统设置于蛇形电力巡检机器人的巡检区域内。本申请通过射频定位功能、姿态传感器和激光测距传感器阵列测距操作，可以使用低功耗的MCU完成机器人的定位，有利于提高机器人电池的续航能力以减小机器人体积，从而提高机器人的集成度和通过性，可以实现在狭长密闭空间长时间进行巡检作业的功能。
Description
技术领域
本申请涉及机器人定位系统领域，尤其涉及一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统。
背景技术
对狭窄空间中的电力设备进行巡检已成为保障电网安全生产的重要且具有挑战性的任务之一。一方面，位于狭窄空间内的设备和电缆运行发热导致空间温度上升且不易散热，易产生火灾隐患；另一方面，部分狭窄空间内阴暗潮湿，且处于半密闭状态，长时间运行后易积聚CO、甲烷等有害易燃气体，产生爆炸隐患。
为了开展对狭长密闭空间中电力设备的巡检工作，目前主要采用人工定期巡查和布置实时监控系统两种方式。但随着机器人技术的发展，采用机器人对狭长密闭空间中的电力设备开展巡检工作成为一个发展趋势，特别是蛇形仿生机器人，由于其采用类蛇形蠕动运动机构设计，可以有效地降低机器人的横向面积，最小横向直径小于100mm，具有体积小、通过性好、环境适应性好等优点，可以满足电缆沟、电缆隧道等狭窄密闭空间中的电力巡检作业需求。蛇形仿生机器人工作时，无需操作人员进入电缆沟或电缆隧道，通过控制终端远程操作即可，从而保障人员安全，降低巡检过程中人员触电、中毒等风险。
蛇形仿生机器人工作过程中，由于所处作业环境为密闭空间，且操作人员采用远程控制方式，如何对机器人进行定位，以确定巡检点位及机器人的作业状态，成为一个亟待解决的问题。对于传统的轮式电力蛇形电力巡检机器人，由于其体积较大、电池容量较高且集成了高性能的工控计算机，可以通过GPS/北斗导航定位、激光导航定位、磁轨导航定位、机器视觉定位等方式对其进行定位和导航。但对于在狭窄密闭空间下使用的蛇形仿生机器人，由于空间的密闭性，导致GPS/北斗导航定位系统无法接收到卫星信号，该技术难以应用；由于要求机器人具有紧凑的外形尺寸以满足狭窄空间的巡检需求，导致现有的激光导航定位雷达无法集成到机器人中，且蛇形仿生机器人蠕动的运动形式也会导致激光雷达的地图失效；由于蛇形仿生机器人的电池容量有限且体积较小，难以满足工控计算机的安装使用需求，从而导致机器视觉定位算法难以部署。
发明内容
针对在狭长密闭空间蛇形机器人定位技术困难的问题，本申请提供了一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统。
本发明提供如下技术方案：
一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，系统包括：蛇形电力巡检机器人定位装置、定位专用关节和射频发射系统，其中，所述定位专用关节设置在蛇形电力巡检机器人上；所述蛇形电力巡检机器人定位装置设置于所述定位专用关节内部；所述射频发射系统设置于蛇形电力巡检机器人的巡检区域内，用于向巡检区域内发射射频信号；
所述蛇形电力巡检机器人定位装置包括：主控制器、射频接收单元、姿态传感器、激光测距传感器阵列、通信单元和电源管理单元；
所述射频发射系统包括：射频发射单元、辅助控制器和辅助电池；
所述射频接收单元用于接收所述射频发射单元发射的射频信号，并将所述射频信号发送给所述主控制器；
所述姿态传感器用于检测所述定位专用关节的偏转角度，并将所述偏转角度发送给所述主控制器；
所述激光测距传感器阵列用于测量定位专用关节与巡检区域的内壁之间的相对距离，并将所述相对距离发送给所述主控制器，所述激光测距传感器阵列包含多个激光测距传感器；
所述主控制器用于接收并处理所述射频接收单元、所述姿态传感器、所述激光测距传感器阵列的数据，并根据定位算法计算得到所述蛇形电力巡检机器人的相对位置信息，并将所述蛇形电力巡检机器人的相对位置信息通过所述通信单元发送给所述蛇形电力巡检机器人本体的控制端；
所述辅助控制器通过电缆与所述辅助电池、所述射频发射单元相连，用于控制所述射频发射单元发射的射频信号；
所述通信单元，用于实现所述主控制器和所述蛇形电力巡检机器人本体的控制端之间的通信接口转换和数据交互功能；
所述电源管理单元的电源输入端口与所述蛇形电力巡检机器人的电源连接，用于为所述蛇形电力巡检机器人定位装置提供电源。
进一步地，所述射频接收单元与所述射频发射单元的通信形式包括LORA、蓝牙和Zigbee。
进一步地，所述主控制器根据所述射频信号的强度衰减量计算得到所述射频发射单元与所述射频接收单元之间的纵向相对距离，并以所述射频发射系统的固定位置为参考原点，最终得到所述蛇形电力巡检机器人的纵向相对位置。
进一步地，所述姿态传感器的坐标系的x轴平行于所述巡检区域的中轴线，且x轴的正向指向所述蛇形电力巡检机器人的初始行进方向，x轴与y轴构成的平面与地面平行，z轴与x轴与y轴构成的平面垂直。
进一步地，所述主控制器利用三角定理计算得到所述蛇形电力巡检机器人的横向相对距离，计算公式如下
L`＝L*cosa*cosb
其中L为所述激光测距传感器测得的定位专用关节与巡检区域的内壁之间的相对距离，a为所述定位专用关节在x轴方向上的偏转角度，b为所述定位专用关节在z轴方向上的偏转角度，L`为所述定位专用关节与所述巡检区域的内壁之间的横向相对距离。
进一步地，所述激光测距传感器阵列沿所述定位专用关节的周向均匀设置4-8个所述激光测距传感器。
进一步地，所述定位专用关节安装于所述蛇形电力巡检机器人所有关节的中间位置，且所述定位专用关节的外壳和运动机构均与所述蛇形电力巡检机器人的通用关节一致。
进一步地，所述通信单元通过UART串口与主控制器相连，并通过RS-232或RS-485接口与所述蛇形电力巡检机器人的通信接口相连。
进一步地，所述主控制器和所述辅助控制器均采用低功耗MCU作为控制核心，主频大于或等于16MHz，且低功耗工作模式下工作电流小于或等于10uA。
进一步地，所述辅助控制器控制所述射频发射单元信号发射的内容和周期，用于定期发送射频定位所需的射频信号。
本发明所提供的一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，通过射频发射单元和射频接收单元实现射频定位功能，以检测机器人所处的纵向相对位置信息，通过姿态传感器和激光测距传感器阵列检测机器人所处的横向相对位置信息，并根据定位算法确定机器人在狭窄密闭的巡检区域空间中所处的相对位置。通过本发明，利用低功耗的普通MCU即可完成对机器人的定位，无需使用高性能的工控机，有利于提高机器人电池的续航能力，减小机器人体积，从而提高机器人的集成度和通过性，以满足狭窄密闭空间下巡检作业的使用需求，特别适用于电缆沟、电缆隧道等环境下的蛇形电力巡检机器人应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统的结构示意图；
图2为本申请射频发射系统布置示意图；
图3为本申请激光测距传感器阵列布置示意图；
图4为本申请姿态传感器坐标系示意图；
图5为本申请定位专用关节在x轴方向上产生偏转角度的定位示意图；
图6为本申请定位专用关节在z轴方向上产生偏转角度的定位示意图；
图7为本申请定位专用关节设置位置示意图。
其中，1-定位专用关节，2-蛇形电力巡检机器人的通用关节，3-激光测距传感器，4-射频发射系统，5-巡检区域，6-蛇形电力巡检机器人。
具体实施方式
参见图1和图2，为针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统的结构示意图和射频发射系统布置示意图。
系统包括：蛇形电力巡检机器人定位装置、定位专用关节1和射频发射系统4，其中，所述定位专用关节1设置在蛇形电力巡检机器人6上；所述蛇形电力巡检机器人定位装置设置于所述定位专用关节1内部；所述射频发射系统4设置于所述蛇形电力巡检机器人的巡检区域5内，用于向巡检区域内发射射频信号；
所述蛇形电力巡检机器人定位装置包括：主控制器、射频接收单元、姿态传感器、激光测距传感器阵列、通信单元和电源管理单元；
所述射频发射系统4包括：射频发射单元、辅助控制器和辅助电池；
所述射频接收单元用于接收所述射频发射单元发射的射频信号，并将所述射频信号发送给所述主控制器；
所述姿态传感器用于检测所述定位专用关节的偏转角度，并将所述偏转角度发送给所述主控制器；
所述激光测距传感器阵列用于测量定位专用关节1与巡检区域5的内壁之间的相对距离，并将所述相对距离发送给所述主控制器，所述激光测距传感器阵列包含多个激光测距传感器3；
所述主控制器用于接收并处理所述射频接收单元、所述姿态传感器、所述激光测距传感器阵列的数据，并根据定位算法计算得到所述蛇形电力巡检机器人6的相对位置信息，并将所述蛇形电力巡检机器人6的相对位置信息通过所述通信单元发送给所述蛇形电力巡检机器人6本体的控制端。
根据射频接收单元发送的射频信号的强度衰减量结合算法可计算得到射频发射单元与射频接收单元之间的纵向相对距离，从而可得到所述射频发射单元所在的所述射频发射系统4与所述射频接收单元所在的所述蛇形电力巡检机器人6之间的纵向相对距离，并以所述射频发射系统4的固定位置为参考原点，进而得到蛇形电力巡检机器人6的纵向相对位置；再根据姿态传感器测量的偏转角度和激光测距传感器阵列测出的相对距离结合算法可计算得到定位专用关节1与巡检区域5的内壁之间的横向相对距离，进而可得到蛇形电力巡检机器人6的横向相对位置。最终主控制器根据纵向相对位置和横向相对位置可得到蛇形电力巡检机器人6在巡检区域5中的相对位置，并将该相对位置信息发送给蛇形电力巡检机器人6本体的控制端。
所述辅助控制器通过电缆与所述辅助电池、所述射频发射单元相连，用于控制所述射频发射单元发射的射频信号；所选MCU型号与主控制器一致，通过辅助电池直接供电，所述辅助电池采用锂电池，额定供电电压3.7V，最大供电电流不小于2A，额定容量不小于1000mAh。
所述通信单元，用于实现所述主控制器和所述蛇形电力巡检机器人6本体的控制端之间的通信接口转换和数据交互功能；
所述电源管理单元的电源输入端口与所述蛇形电力巡检机器人6的电源连接，用于为所述蛇形电力巡检机器人定位装置提供电源。电源管理单元安装于定位专用关节1中，电源输入端口与蛇形电力巡检机器人6本体相连以获取电源供给，输入电源电压与蛇形电力巡检机器人6本体的电池电压一致，输出电源电压为+3.3V或+5V，最大输出电流不小于2A。
进一步地，所述射频接收单元与所述射频发射单元的通信形式包括但不限于LORA、蓝牙和Zigbee。
进一步地，所述主控制器根据所述射频信号的强度衰减量计算得到所述射频发射单元与所述射频接收单元之间的纵向相对距离，从而便可得到所述射频发射单元所在的所述射频发射系统4与所述射频接收单元所在的所述蛇形电力巡检机器人6之间的纵向相对距离，并以所述射频发射系统4的固定位置为参考原点，最终得到所述蛇形电力巡检机器人6的纵向相对位置。
参见图4-图6，所述姿态传感器的坐标系的x轴平行于所述巡检区域5的中轴线，且x轴的正向指向所述蛇形电力巡检机器人6的初始行进方向，x轴与y轴构成的平面与地面平行，z轴与x轴与y轴构成的平面垂直。
参见图5和图6，所述主控制器利用三角定理计算得到所述蛇形电力巡检机器人6的横向相对距离，计算公式如下
L`＝L*cosa*cosb
其中L为所述激光测距传感器测得的定位专用关节1与巡检区域5的内壁之间的相对距离，a为所述定位专用关节1在x轴方向上的偏转角度，b为所述定位专用关节1在z轴方向上的偏转角度，L`为所述定位专用关节1与所述巡检区域5的内壁之间的横向相对距离。
当蛇形电力巡检机器人6在行进过程中，可能会发生两个问题：一是蛇形电力巡检机器人6的行进方向发生偏转，于是定位专用关节1在x轴方向就会产生偏转角度，二是蛇形电力巡检机器人6本身会发生翻转，于是定位专用关节1在z轴方向上就会产生偏转角度。这样一来，激光测距传感器3测量出的数据就不是蛇形电力巡检机器人定位系统所需要的横向相对距离。所以可以利用姿态传感器检测到的偏转角度，并结合三角定理公式，由主控制器通过计算得到所述蛇形电力巡检机器人定位系统需要的横向相对距离，从而得到蛇形电力巡检机器人6的横向相对距离，用于定位蛇形电力巡检机器人6的横向相对位置。
参见图3，所述激光测距传感器阵列沿所述定位专用关节1的周向均匀设置4-8个所述激光测距传感器3。
考虑到蛇形电力巡检机器人6本身发生翻转时，会发生激光测距传感器3被翻转到底部或顶部，以至于无法实现测量距离的操作，所以设置激光测距传感器阵列，沿所述定位专用关节1的周向均匀设置4-8个所述激光测距传感器3，当某一激光测距传感器3无法测距时，其它没有被翻转到底部或顶部的激光测距传感器3可以继续测量，保证所述蛇形电力巡检机器人定位装置的正常运行。
参见图7，所述定位专用关节1安装于所述蛇形电力巡检机器人6所有关节的中间位置，且所述定位专用关节1的外壳和运动机构均与所述蛇形电力巡检机器人6的通用关节2一致，但额外集成了所述蛇形电力巡检机器人定位系统中的主控制器、射频接收单元、姿态传感器、激光测距传感器阵列、通信单元和电源管理单元，该定位专用关节1安装于机器人所有关节的中间位置，通过电缆或连接器与相邻的通用关节相连，以实现数据通信和电源供给功能。通过检测和计算定位专用关节1在巡检区域5中的相对位置信息，可以确定蛇形电力巡检机器人6本体的相对位置信息，中间位置的布置和与通用关节的一致性可以提高测量数据的准确性。
进一步地，所述通信单元通过UART串口与主控制器相连，并通过RS-232或RS-485接口与所述蛇形电力巡检机器人6的通信接口相连。
进一步地，所述主控制器和所述辅助控制器均采用低功耗MCU作为控制核心，主频大于或等于16MHz，且低功耗工作模式下工作电流小于或等于10uA，利用低功耗的普通MCU即可完成对机器人的定位，无需使用高性能的工控机，有利于提高机器人电池的续航能力。
进一步地，所述辅助控制器控制所述射频发射单元信号发射的内容和周期，用于定期发送射频定位所需的射频信号，所述辅助控制器和所述射频发射单元均由所述辅助电池直接供电。
本申请提供了一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，系统包括：蛇形电力巡检机器人定位装置、定位专用关节1和射频发射系统4，其中，所述定位专用关节1设置于蛇形电力巡检机器人6中；所述蛇形电力巡检机器人定位装置设置于所述定位专用关节1上；所述射频发射系统4设置于巡检区域5的任意固定位置。所述蛇形电力巡检机器人定位装置包括：主控制器、射频接收单元、姿态传感器、激光测距传感器阵列、通信单元；所述射频发射系统4包括：射频发射单元、辅助控制器和辅助电池。其中射频发射模块和射频接收模块用于实现射频定位功能，以检测蛇形电力巡检机器人6所处的纵向相对位置的相关信息，姿态传感器和激光测距传感器阵列用于检测蛇形电力巡检机器人6所处的横向相对位置的相关信息，再由主控制器根据定位算法计算得到蛇形电力巡检机器人6的纵向相对距离和横向相对距离，从而确定蛇形电力巡检机器人6在狭窄密闭的巡检区域5空间中所处的相对位置，并将相对位置信息发送给蛇形电力巡检机器人6本体的控制端，为蛇形电力巡检机器人6本体提供定位信息。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述系统包括：蛇形电力巡检机器人定位装置、定位专用关节和射频发射系统，其中，所述定位专用关节设置在蛇形电力巡检机器人上；所述蛇形电力巡检机器人定位装置设置于所述定位专用关节内部；所述射频发射系统设置于所述蛇形电力巡检机器人的巡检区域内，用于向巡检区域内发射射频信号；
所述蛇形电力巡检机器人定位装置包括：主控制器、射频接收单元、姿态传感器、激光测距传感器阵列、通信单元和电源管理单元；
所述射频发射系统包括：射频发射单元、辅助控制器和辅助电池；
所述射频接收单元用于接收所述射频发射单元发射的射频信号，并将所述射频信号发送给所述主控制器；
所述姿态传感器用于检测所述定位专用关节的偏转角度，并将所述偏转角度发送给所述主控制器；
所述激光测距传感器阵列用于测量定位专用关节与巡检区域的内壁之间的相对距离，并将所述相对距离发送给所述主控制器，所述激光测距传感器阵列包含多个激光测距传感器；
所述主控制器用于接收并处理所述射频接收单元、所述姿态传感器、所述激光测距传感器阵列的数据，并根据定位算法计算得到所述蛇形电力巡检机器人的相对位置信息，并将所述相对位置信息通过所述通信单元发送给所述蛇形电力巡检机器人本体的控制端；
所述辅助控制器通过电缆与所述辅助电池、所述射频发射单元相连，用于控制所述射频发射单元发射的射频信号；
所述通信单元，用于实现所述主控制器和所述蛇形电力巡检机器人本体的控制端之间的通信接口转换和数据交互功能；
所述电源管理单元的电源输入端口与所述蛇形电力巡检机器人的电源连接，用于为所述蛇形电力巡检机器人定位装置提供电源。
2.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述射频接收单元与所述射频发射单元的通信形式包括LORA、蓝牙和Zigbee。
3.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述主控制器根据所述射频信号的强度衰减量计算得到所述射频发射单元与所述射频接收单元之间的纵向相对距离，并以所述射频发射系统的固定位置为参考原点，最终得到所述蛇形电力巡检机器人的纵向相对位置。
4.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述姿态传感器的坐标系的x轴平行于所述巡检区域的中轴线，且x轴的正向指向所述蛇形电力巡检机器人的初始行进方向，x轴与y轴构成的平面与地面平行，z轴与x轴与y轴构成的平面垂直。
5.如权利要求1或4所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述主控制器利用三角定理计算得到所述蛇形电力巡检机器人的横向相对距离，计算公式如下
L`＝L*cosa*cosb
其中L为所述激光测距传感器测得的定位专用关节与巡检区域的内壁之间的相对距离，a为所述定位专用关节在x轴方向上的偏转角度，b为所述定位专用关节在z轴方向上的偏转角度，L`为所述定位专用关节与所述巡检区域的内壁之间的横向相对距离。
6.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述激光测距传感器阵列沿所述定位专用关节的周向均匀设置4-8个所述激光测距传感器。
7.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述定位专用关节安装于所述蛇形电力巡检机器人所有关节的中间位置，且所述定位专用关节的外壳和运动机构均与所述蛇形电力巡检机器人的通用关节一致。
8.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述通信单元通过UART串口与主控制器相连，并通过RS-232或RS-485接口与所述蛇形电力巡检机器人的通信接口相连。
9.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述主控制器和所述辅助控制器均采用低功耗MCU作为控制核心，主频大于或等于16MHz，且低功耗工作模式下工作电流小于或等于10uA。
10.如权利要求1所述的针对狭长密闭空间的蛇形电力巡检机器人定位系统，其特征在于，所述辅助控制器控制所述射频发射单元信号发射的内容和周期。
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