CN112269380A - 一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统，该方法包括：将生成的路径标定地图载入巡检机器人；巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走；实时获取道路区域范围内的点云数据；根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物并根据判断结果执行相应操作，直至巡检任务结束。本发明采用3d激光雷达在满足自主导航定位的同时进行障碍物感知，充分利用激光雷达传感器，同时提出了多种遇障控制方法，机器人遇到故障后，根据不同的道路情况、不同的障碍物尺寸大小及位置进行不同处理模式，实现机器人遇障智能化处理，解决了机器人遇障处理模式单一、智能化水平低下等问题，降低运维人工成本，提升产品实用化水平。
Description
技术领域
本发明涉及变电站巡检技术领域，具体涉及一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统。
背景技术
目前的变电站巡检机器人障碍物检方式主要利用超声波传感器或红外传感器感知，机器人自主巡检过程中遇到前方有障碍物时，超声波传感器或红外传感器的检测距离由于障碍物阻隔而变短，进而产生遇障信号使能驱动器，机器人立即停止，并发出告警，直到故障移除，机器人继续执行巡检任务。
现阶段的防碰撞模式为巡检机器人遇到障碍物就立即停止并告警，直到障碍物移除，机器人继续行走，若障碍物不移除，机器人会一直停车并告警，等待运维人员进行人工移除障碍物，遇障处理模式单一，灵活性不足，智能化水平较差，不适用变电站无人值守巡检模式的推广。
当前巡检机器人采用超声波或红外传感器检测障碍物的方法，需要在车体前后多个位置安装传感器，同时受机器人外观结构、传感器安装精度及传感器检测范围等因素影响，巡检机器人障碍物检测存在盲区，对于小型障碍物或者网状障碍物，超声波传感器或红外传感器都无法识别，影响巡检机器人的安全、可靠行走。
专利【CN 106324619 A】一种变电站巡检机器人自动避障方法提出：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。
专利【CN 106598039 A】一种基于激光雷达的变电站巡检机器人避障方法提出：机器人通过激光雷达对周边环境进行扫描，使用的环境地图为二维矩阵，为实际变电站的布尔矩阵，在变电站内有设备的位标定为布尔真；机器人当前位置坐标与其航向角以及映射后的激光雷达数据合正，此时判定二维矩阵是否为真，若为真则说明在变电站相应位置有变电站自身设备，若不为真则说明该位置为障碍物，将其坐标作为索引在新的二维矩阵中，将相应的元素置真；将使机器人当前周边的导航数据层作为避障的辅助信息，若机器人规划行驶线路经过导航数据层置真的对应矩阵，机器人将重新规划路径并使用最短路径算法，避开障碍物，减少了变电站巡检机器人碰撞障碍物的可能。
现有技术中存在如下的缺陷：
1、现有技术方案未考虑变电站实际应用环境，实际变电站中有主干道、电缆沟盖板路、窄道路等不同的道路，主干道一般比较宽敞，可行驶大型车辆，此种道路适合进行自动避障功能，但是由于电缆沟盖板路、窄道路一般比较狭窄，不允许进行自动避障功能。
2、现有技术方案中采用激光雷达进行障碍物检测，在变电站场景使用时，巡检机器人采用2d激光雷达时仅用于定位导航，同时由于2d激光雷达上下限扫描的范围有限，对于小障碍物或网状障碍物无法识别，在巡检机器人自动导航的过程中进行障碍物检测，此种方法需要额外增加一台2d激光雷达，加大巡检机器人的成本。
3、现有技术方案中未考虑运维人员并非时时驻守变电站，一旦发生障碍物尺寸过大导致无法自动绕障，将导致巡检机器人在障碍物前停车，需要运维人员进行干预，未形成遇障智能化处理，针对不同的障碍物以及不同的工况，执行不同的遇障控制模式。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统，解决了机器人遇障处理模式单一、智能化水平低下等问题，降低运维人工成本，提升产品实用化水平。
本发明采用如下的技术方案实现：
本发明提供了一种变电站巡检机器人遇障控制方法，包括如下步骤：
将生成的路径标定地图载入巡检机器人；
巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走，前往任务停靠点；
实时获取道路区域范围内的点云数据；
根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物：若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式；若无障碍物，则继续执行巡检任务直至巡检任务结束。
进一步的，所述将生成的路径标定地图载入巡检机器人的步骤包括：
3d激光雷达扫描变电站周围环境信息，形成全局地图；
在地图的基础上规划巡检路径；
根据机器人的尺寸标注全部路径的宽度及绕障属性；
依据变电站环境实际尺寸与全局地图的比例，将规划的巡检路径映射到全局地图中，形成路径区域；
根据实际道路宽度在全局地图中形成道路区域，道路区域大于路径区域；
形成路径标定地图并载入巡检机器人。
进一步的，所述绕障属性包括允许绕障和不允许绕障。
进一步的，所述实时获取道路区域范围内的点云数据的步骤包括：
3d激光雷达中下段线束实时扫描局部环境信息，获取局部点云数据；
将局部点云数据与路径标定地图进行匹配，匹配完成后截取道路区域范围内的点云数据。
进一步的，所述若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式包括：
在规定时间内，巡检机器人的主控制器判断障碍物是否移除：
若障碍物被移除，巡检机器人继续自主行走，前往停靠点，执行巡检任务；
若障碍物未被移除，巡检机器人的主控制器查看当前巡检路径的属性，判断当前道路是否允许直接绕障：若允许直接绕障，则执行遇障模式1，直接绕障后回到巡检路径上，继续自主行走执行巡检任务；若不允许直接绕障，则执行遇障模式2。
进一步的，调取障碍物的点云数据，获取障碍物的尺寸大小，并将障碍物点云数据映射到标定全局地图上，根据当前道路坐标范围，计算障碍物左侧道路宽度d左及障碍物右侧道路宽度d右：d左＝|x2-x1|，d右＝|x4-x3|；其中，在标定的全局地图坐标系中，x1为道路左侧在x轴的位置，x2为障碍物左侧在x轴的位置，x3为障碍物右侧在x轴的位置，x4为道路右侧在x轴的位置；
根据障碍物左、右侧道路宽度与机器人宽度dw进行对比，若d左≥(dw+λ)或者d右≥(dw+λ)，机器人执行遇障模式1：主控制器选取左、右侧道路宽度大者的一侧进行直接绕障；若d左≤(dw+λ)且d右≤(dw+λ)，则执行遇障模式2；其中，λ为绕障裕值。
进一步的，所述巡检机器人执行遇障模式2包括：主控制器以目标停靠点为终点，当前位置为起点，规划间接绕障路线，主控制器判断是否有间接绕障路线，若有间接绕障路线，巡检机器人开始自主导航，沿间接绕障路线行走，到达停靠点；若无间接绕障路线，巡检机器人执行遇障模式3：结束当前路径上的点位巡检，执行其余路径上的巡检任务。
进一步的，所述继续执行巡检任务直至巡检任务结束的步骤包括；
巡检机器人的主控制器判断巡检任务是否结束，若任务巡检已完成，保存此次任务中未巡点位，并上送监控后台，机器人返回；若巡检任务未结束，回到巡检机器人执行巡检任务的步骤。
本发明的第二方面提供了一种变电站巡检机器人遇障控制系统，用于执行如前所述的变电站巡检机器人遇障控制方法；所述系统包括巡检机器人，所述巡检机器人上设置有3d激光雷达和主控制器；所述主控制器与交换机连接，交换机与3d激光雷达连接；
所述3d激光雷达用于扫描变电站周围环境信息以及实时扫描巡检过程中的局部环境信息；
所述主控制器用于局部点云数据与地图的匹配，获取障碍物信息，计算左右侧绕障距离，依据遇障情况的不同执行对应的策略。
进一步的，其中，所述3d激光雷达为16线束及以上的三维多线激光雷达。
综上所述，本发明提供了一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统，该方法包括：将生成的路径标定地图载入巡检机器人；巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走，前往任务停靠点；实时获取道路区域范围内的点云数据；根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物：若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式；若无障碍物，则继续执行巡检任务直至巡检任务结束。本发明采用3d激光雷达在满足自主导航定位的同时进行障碍物感知，充分利用激光雷达传感器，同时提出了多种遇障控制方法，机器人遇到故障后，根据不同的道路情况、不同的障碍物尺寸大小及位置进行不同处理模式，实现机器人遇障智能化处理，解决了机器人遇障处理模式单一、智能化水平低下等问题，降低运维人工成本，提升产品实用化水平。
附图说明
图1是本发明实施例的变电站巡检机器人遇障控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的将生成的路径标定地图载入巡检机器人的流程示意图；
图3是本发明实施例的时获取道路区域范围内的点云数据的流程示意图；
图4是本发明具体实施例的变电站巡检机器人遇障控制方法的流程示意图；
图5是本发明具体实施例的标定的全局地图坐标系的示意图。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种变电站巡检机器人遇障控制方法，需要在路径规划过程中标定巡检路径，同时将规划的路径映射到全局地图上，依据实际道路宽度及机器人自身宽度在全局地图中形成道路区域和巡检路径区域。该方法如图1所示，包括如下步骤：
步骤S100，将生成的路径标定地图载入巡检机器人。具体的，步骤S100包括如下步骤，如图2所示：
步骤S110：3d激光雷达扫描变电站周围环境信息，形成全局地图；
步骤S120：在地图的基础上规划巡检路径；
步骤S130：根据机器人的尺寸标注全部路径的宽度及绕障属性；绕障属性包括允许绕障和不允许绕障；
步骤S140：依据变电站环境实际尺寸与全局地图的比例，将规划的巡检路径映射到全局地图中，形成路径区域；
步骤S150：根据实际道路宽度在全局地图中形成道路区域，道路区域大于路径区域；
步骤S160：形成路径标定地图并载入巡检机器人。
步骤S200，巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走，前往任务停靠点。
步骤S300，实时获取道路区域范围内的点云数据；具体的，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S310，3d激光雷达中下段线束实时扫描局部环境信息，获取局部点云数据；
步骤S320，将局部点云数据与路径标定地图进行匹配，匹配完成后截取道路区域范围内的点云数据。
步骤S400，根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物：若有障碍物，则巡检机器人的主控制器使能底盘驱动信号，机器人立即停车，并发出声光报警，等待障碍物移除，根据条件执行相应的遇障模式；若无障碍物，则继续执行巡检任务直至巡检任务结束。
具体的，如图4所示，在规定时间内，巡检机器人的主控制器判断障碍物是否移除：若障碍物被移除，巡检机器人继续自主行走，前往停靠点，执行巡检任务；若障碍物未被移除，巡检机器人的主控制器查看当前巡检路径的属性，判断当前道路是否允许直接绕障：若允许直接绕障，则执行遇障模式1，直接绕障后回到巡检路径上，继续自主行走执行巡检任务；若不允许直接绕障，则执行遇障模式2。工控机调取障碍物的点云数据，获取障碍物的尺寸大小，并将障碍物点云数据映射到标定全局地图上，根据当前道路坐标范围，计算障碍物左侧道路宽度d左及障碍物右侧道路宽度d右：d左＝|x2-x1|，d右＝|x4-x3|；其中，如图5所示，在标定的全局地图坐标系中，x1为道路左侧在x轴的位置，x2为障碍物左侧在x轴的位置，x3为障碍物右侧在x轴的位置，x4为道路右侧在x轴的位置；根据障碍物左、右侧道路宽度与机器人宽度dw进行对比，若d左≥(dw+λ)或者d右≥(dw+λ)，机器人执行遇障模式1：主控制器选取左、右侧道路宽度大者的一侧进行直接绕障；若d左≤(dw+λ)且d右≤(dw+λ)，则执行遇障模式2；其中，λ为绕障裕值，λ取值跟机器人的转弯方式有关，采用差速转弯方式，λ取值较大，采用原地转弯方式，λ取值较小。本发明通过在路径规划过程中标定巡检路径，结合实际道路宽度及机器人自身宽度在全局地图上形成道路区域和巡检路径区域，并增加路径的绕障属性，形成路径标定全局地图，增加了路径区域、路径属性及道路区域，获得障碍物左侧道路宽度d左及障碍物右侧道路宽度d右，降低了障碍物左、右侧道路宽度计算的复杂程度。
进一步的，所述巡检机器人执行遇障模式2包括：主控制器以目标停靠点为终点，当前位置为起点，规划间接绕障路线，主控制器判断是否有间接绕障路线，若有间接绕障路线，巡检机器人开始自主导航，沿间接绕障路线行走，到达停靠点；若无间接绕障路线，巡检机器人执行遇障模式3：结束当前路径上的点位巡检，执行其余路径上的巡检任务。
进一步的，所述步骤S400中，继续执行巡检任务直至巡检任务结束的步骤包括：巡检机器人的主控制器判断巡检任务是否结束，若任务巡检已完成，保存此次任务中未巡点位，并上送监控后台，机器人返回；若巡检任务未结束，回到巡检机器人执行巡检任务的步骤。
可见，本发明的上述控制方法提出多种遇障控制模式，形成了一套完整的遇障控制逻辑，针对变电站道路实际情况、障碍物尺寸大小形成多种应对机制，包括直接绕障、间接绕障、结束当前路径巡检任务，执行其他路径的巡检任务等控制模式，优化变电站巡检机器人遇障控制方式，提升机器人实用化、智能化水准。遇到故障后，机器人停车发出声光告警，等待故障移除，在规定时间内故障未移除，开启智能处理模式，在道路允许的情况下(路径属性为允许绕障)进行直接绕障，在道路不允许、故障尺寸较大无法绕障的情况下，主控制器以目标停靠点为终点，当前位置为起点，规划间接绕障路线，进而间接绕过障碍物，在无间接绕障路线时，主控制器跳过当前路径上的所有巡检点位，选择其他巡检路径继续执行巡检任务，直到任务结束，返回充电房，并上送监控后台未巡检点位。
本发明的第二方面提供了一种变电站巡检机器人遇障控制系统，用于执行如前所述的变电站巡检机器人遇障控制方法；所述系统包括巡检机器人，所述巡检机器人上设置有3d激光雷达和主控制器；所述主控制器与交换机连接，交换机与3d激光雷达连接；3d激光雷达用于扫描变电站周围环境信息以及实时扫描巡检过程中的局部环境信息；主控制器用于局部点云数据与地图的匹配，获取障碍物信息，计算左右侧绕障距离，依据遇障情况的不同执行对应的策略。
进一步的，其中，所述3d激光雷达为16线束及以上的三维多线激光雷达。该系统采用3d激光雷达为16线束及以上的三维多线激光雷达，满足机器人定位导航的同时进行障碍物检测，通过激光雷达中下段线束扫描获得障碍物点云数据，得到障碍物尺寸，减少超声波传感器或红外传感器的硬件成本投入，解决了小障碍物及网状障碍物的识别问题。
综上所述，本发明提供了一种变电站巡检机器人遇障控制方法及系统，该方法包括：将生成的路径标定地图载入巡检机器人；巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走，前往任务停靠点；实时获取道路区域范围内的点云数据；根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物：若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式；若无障碍物，则继续执行巡检任务直至巡检任务结束。本发明采用3d激光雷达在满足自主导航定位的同时进行障碍物感知，充分利用激光雷达传感器，同时提出了多种遇障控制方法，机器人遇到故障后，根据不同的道路情况、不同的障碍物尺寸大小及位置进行不同处理模式，实现机器人遇障智能化处理，解决了机器人遇障处理模式单一、智能化水平低下等问题，降低运维人工成本，提升产品实用化水平。
以上给出了本发明涉及具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
将生成的路径标定地图载入巡检机器人；
巡检机器人执行巡检任务，根据巡检路径自主导航行走，前往任务停靠点；
实时获取道路区域范围内的点云数据；
根据点云数据判断巡检路径区域是否有障碍物：若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式；若无障碍物，则继续执行巡检任务直至巡检任务结束。
2.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述将生成的路径标定地图载入巡检机器人的步骤包括：
3d激光雷达扫描变电站周围环境信息，形成全局地图；
在地图的基础上规划巡检路径；
根据机器人的尺寸标注全部路径的宽度及绕障属性；
依据变电站环境实际尺寸与全局地图的比例，将规划的巡检路径映射到全局地图中，形成路径区域；
根据实际道路宽度在全局地图中形成道路区域，道路区域大于路径区域；
形成路径标定地图并载入巡检机器人。
3.根据权利要求2所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述绕障属性包括允许绕障和不允许绕障。
4.根据权利要求1-3任一项所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述实时获取道路区域范围内的点云数据的步骤包括：
3d激光雷达中下段线束实时扫描局部环境信息，获取局部点云数据；
将局部点云数据与路径标定地图进行匹配，匹配完成后截取道路区域范围内的点云数据。
5.根据权利要求4所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述若有障碍物，则巡检机器人停车、报警、等待障碍物被移除和/或根据条件执行相应的遇障模式包括：
在规定时间内，巡检机器人的主控制器判断障碍物是否移除：
若障碍物被移除，巡检机器人继续自主行走，前往停靠点，执行巡检任务；
若障碍物未被移除，巡检机器人的主控制器查看当前巡检路径的属性，判断当前道路是否允许直接绕障：若允许直接绕障，则执行遇障模式1，直接绕障后回到巡检路径上，继续自主行走执行巡检任务；若不允许直接绕障，则执行遇障模式2。
6.根据权利要求5所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，
调取障碍物的点云数据，获取障碍物的尺寸大小，并将障碍物点云数据映射到标定全局地图上，根据当前道路坐标范围，计算障碍物左侧道路宽度d左及障碍物右侧道路宽度d右：d左＝|x2-x1|，d右＝|x4-x3|；其中，在标定的全局地图坐标系中，x1为道路左侧在x轴的位置，x2为障碍物左侧在x轴的位置，x3为障碍物右侧在x轴的位置，x4为道路右侧在x轴的位置；
根据障碍物左、右侧道路宽度与机器人宽度dw进行对比，若d左≥(dw+λ)或者d右≥(dw+λ)，机器人执行遇障模式1：主控制器选取左、右侧道路宽度大者的一侧进行直接绕障；若d左≤(dw+λ)且d右≤(dw+λ)，则执行遇障模式2；其中，λ为绕障裕值。
7.根据权利要求6所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述巡检机器人执行遇障模式2包括：主控制器以目标停靠点为终点，当前位置为起点，规划间接绕障路线，主控制器判断是否有间接绕障路线，若有间接绕障路线，巡检机器人开始自主导航，沿间接绕障路线行走，到达停靠点；若无间接绕障路线，巡检机器人执行遇障模式3：结束当前路径上的点位巡检，执行其余路径上的巡检任务。
8.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人遇障控制方法，其特征在于，所述继续执行巡检任务直至巡检任务结束的步骤包括；
巡检机器人的主控制器判断巡检任务是否结束，若任务巡检已完成，保存此次任务中未巡点位，并上送监控后台，机器人返回；若巡检任务未结束，回到巡检机器人执行巡检任务的步骤。
9.一种变电站巡检机器人遇障控制系统，其特征在于，用于执行如权利要求1-8任一项所述的变电站巡检机器人遇障控制方法；所述系统包括巡检机器人，所述巡检机器人上设置有3d激光雷达和主控制器；所述主控制器与交换机连接，交换机与3d激光雷达连接；
所述3d激光雷达用于扫描变电站周围环境信息以及实时扫描巡检过程中的局部环境信息；
所述主控制器用于局部点云数据与地图的匹配，获取障碍物信息，计算左右侧绕障距离，依据遇障情况的不同执行对应的策略。
10.根据权利要求9所述的变电站巡检机器人遇障控制系统，其特征在于，其中，所述3d激光雷达为16线束及以上的三维多线激光雷达。
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